碳-碳键的构建是有机化学的基础, 过渡金属及其配合物在碳-碳键的构建中, 起着十分重要的作用.钯-催化的碳-碳偶联反应[1-2], 如Suzuki反应[3-8]、Heck反应[9-14]、Sonogashira偶联反应[15-20]等都是构建碳-碳键的有效方法.这些方法已广泛应用于天然产物、药物、先进功能材料、农用化学品等的合成中[21-22].
碳-碳偶联反应一般是以钯盐或钯的配合物为催化剂, 在有机溶剂中进行, 但是, 大量有机溶剂的使用和排放, 严重威胁了人类的生存环境, 因此, 寻找替代有机溶剂的绿色溶剂势在必行.自20世纪90年代以来, 已发展了多种非传统的溶剂, 例如:离子液体, 超临界流体, 全氟溶剂等, 但这些非传统溶剂因较高的成本限制了它们的工业应用.水是价廉易得、最清洁安全的绿色溶剂, 如何实现水中的碳-碳偶联偶联反应是催化领域关注的热点[23-27].
在油浴等常规的加热方式下进行的碳-碳偶联反应, 完成反应一般需要数个小时到数十个小时.为提高反应效率, 微波技术应用到碳-碳偶联反应, 使得需要数小时或数十小时的反应在几分钟内就能完成, 大大提高了反应效率, 是一种高效、节能的加热方式[28-30].
Salen类配体合成方便, 能与钯形成稳定的配合物.目前已有文献报道Salen-钯配合物催化碳-碳偶联反应的报道[31-33].但微波促进水溶性Salen-Pd配合物催化水相中的碳-碳偶联反应则少见报道[34].这里我们报道一种磺酸钠修饰的Salen类似物与钯原位生成配合物后催化微波促进的水相中的碳-碳偶联反应.
1 实验部分 1.1 试剂及仪器所有试剂与溶剂都是从试剂公司购买, 如未特别指明, 使用前所有试剂都未进行特别处理. MCR-3型微波化学反应器(予华仪器), 配体合成反应进程由薄层层析监控, 斑点用紫外灯或含有Ce(NH4)2(NO3)6 (0.5 g)和(NH4)6Mo7O24·4H2O (24.0 g)在6%H2SO4(500 mL)的黄色溶液显色.水溶性配体的核磁共振氢谱、碳谱由Varian mercury plus 400MHz核磁共振仪(TMS为内标)测定, ESI质谱由ESQUIRE Ion Trap LC /MS液相色谱/质谱联用仪分析确定, 反应混合物经简单处理后用Agilent GC7890(30 m × 0.25 mm SE30毛细管柱, FID检测器, 柱温120 ℃, 检测器温度220 ℃, 进样温度240 ℃)分析.
1.2 磺酸钠修饰的Salen的合成N, N’-双[(5-磺酸基-2-羟基)苄基]缩N, N’-二甲基-1, 2-乙二胺(L2)二水4-羟基苯磺酸钠(2.0 g, 10.2 mmol), N, N’-二甲基乙二胺(0.51 g, 5.1 mmol)、多聚甲醛(0.36 g, 12 mmol, 10eq.)与乙醇(100 mL)混合.回流搅拌约48 h, 有大量白色沉淀生成, 过滤, 滤饼用乙醇和乙醚洗涤后得到白色粉末(2.4 g, 94%). 1H NMR (400 MHz, D2O) δ 7.63 (dd, J =8.4, 2.4 Hz, 2 H), 7.59 (d, J = 2.4 Hz, 2 H), 6.83 (d, J = 8.4 Hz, 2 H), 3.96 (s, 4 H), 3.04 (s, 4 H), 2.45 (s, 6 H). 13C NMR (100 MHz, D2O)δ163.6, 130.7, 128.5, 127.8, 120.9, 117.4, 57.8, 50.8, 40.1. ESI-MS, m/z, [M+H]+:505.07.
1.3 微波加热的Heck反应在如图 1所示, 通过连接一根能连接微波反应器内外的直形冷凝管将含有卤代苯或其苯衍生物(5 mmol)、苯乙烯或丙烯酸(10 mmol)、碱(18.5 mmol)、季铵盐(5 mmol)、醋酸钯(2.3 mg, 0.01 mmol)、水溶性Salen(0.01 mmol)以及蒸馏水(15 mL)的带磁性搅拌子100 mL硬质双口圆底烧瓶固定在微波反应器底部, 直形冷凝管顶部再接一根回流冷凝管, 回流顶部用封口胶塞封口.设定反应温度为80~120 ℃.先常温搅拌1 h, 经TLC监测水溶性Salen全部生成配合物后, 再接通冷凝水, 开启微波反应器, 温度迅速升至指定温度, 并在设定温度下反应到设定的时间.反应结束后, 开启风冷装置, 让温度迅速回到常温.用乙醚萃取反应混合物3次(3×10 mL), 合并有机相, 并用无水Na2SO4干燥后, 取样用气相色谱分析, 蒸掉溶剂, 残余物用柱色谱(硅胶粒径0.071~0.050 mm, 乙酸乙酯:石油醚= 1:4)分离得到产物.同一反应做3组实验, 取数据接近的两组平均来计算反应收率.
水相循环使用实验:用真空泵抽出存留的水相中残余的乙醚, 加入与上一次相同摩尔量的溴苯(或其衍生物)与乙烯衍生物, 补充水量使其达到15 mL, 按照与上一次相同的反应条件进行反应, 后处理与第一次相同.
1.4 微波加热的Sonogashira偶联反应Sonogashira的反应装置与图 1类似, 只是回流冷凝管上端通过真空橡皮管与连接有真空泵和氮气钢瓶的双排管相连.向100 mL的双口圆底烧瓶中, 加入溴苯(或其衍生物)(2 mmol)、苯乙炔(或其衍生物)(2.2 mmol)、碱(3 mmol)、相转移催化剂(2 mmol)、醋酸钯(1.2 mg, 0.005 mmol), 水溶性Salen(2.5 mg, 0.005 mmol)以及蒸馏水(10 mL).反应体系在室温下搅拌1 h, 保证醋酸钯与Salen形成配合物.然后反应体系用氮气置换3次, 在氮气保护下, 开启微波反应器, 温度迅速升至指定温度, 并在设定温度下反应到设定的时间.反应结束后, 开启风冷装置, 让温度迅速回到常温.用乙醚萃取反应混合物3次(3×10 mL), 合并有机相, 并用无水Na2SO4干燥后, 取样用气相色谱分析, 蒸掉溶剂, 残余物用柱色谱(硅胶粒径0.071~0.050 mm, 乙酸乙酯:石油醚= 1:6)分离得到产物.同一反应做3组实验, 取数据接近的两组平均来计算反应收率.
水相循环使用实验:用真空泵抽出存留的水相中残余的乙醚, 加入与上一次相同摩尔量的碘苯(或其衍生物)与苯乙炔或其衍生物, 补充水量使其达到10 mL, 按照与上一次相同的反应条件进行反应, 后处理与第一次相同.
2 结果与讨论 2.1 水溶性配体的合成Hureau C报道了N, N’-双(亚甲基-2-羟基-5-苯磺酸钠)缩-N, N’-二甲基乙二胺及其铜配合物的合成[35], 其目的是为了阻止铜离子诱导的Aβ聚集以及氧活性物种(ROS)的生成, 作为一种具有治疗阿尔茨海默病或缓解该病进程的潜在药物来研究.目前未见这种水溶性Salen用于催化的报道.按文献方法, 将二水4-羟基苯磺酸钠与37%甲醛水溶液在乙醇中回流48 h, 以很好的收率得到配体.
为选择合适的反应条件, 按相关文献方法, 以溴苯和苯乙烯为底物, 从反应温度, 反应时间、配体、辅助碱及季铵盐等方面进行考察.考察过程中, 醋酸钯为溴苯摩尔量的0.2%, 醋酸钯与水溶性Salen的摩尔比为1:1.所得结果见表 1.
根据文献[32]的研究结果, 水溶性Salen与钯可能原位生成了如图 2所示配合物.在未开启微波加热前, 让反应混合物在室温下搅拌1 h, 并用TLC(乙酸乙酯比甲醇2:1)监测, 直至水溶性Salen点消失, 确认醋酸钯与水溶性Salen已完全形成配合物.
实验中发现, 如果不预先搅拌1 h, 直接开启微波加热, 反应过程中会产生钯黑, 而钯黑不溶于水, 从而影响到催化剂循环利用.而预先室温搅拌1 h, 则能克服这一现象, 这也表明, 预先搅拌使得配体与钯形成了水溶性配合物. 表 1的结果表明, 温度为80 ℃时, 反应较慢, 反应15 min才有66%的收率, 当温度上升到100 ℃时, 反应明显加快, 反应8 min收率达到93%.当温度上升到120 ℃时, 收率有所增加, 但不明显.在没有配体存在的情况下, 120 ℃反应条件下, 偶联反应也会发生, 反应8 min有85%的收率, 但是, 反应过程中会伴随大量钯黑生成.辅助碱对反应也有影响, 在所考察的碱中, 碳酸钾效果最好, 磷酸钾次之, 其他的如氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠的效果比前2种要差很多.在没有季铵盐存在下, 反应基本没有发生, 季铵盐四丁基溴化铵和十六烷基三甲基溴化铵效果相近, 但是以十六烷基三甲基溴化铵为相转移催化剂, 在反应过程中, 产生大量泡沫, 这会影响反应的分离收率.根据以上的研究结果, 结合原料成本, 我们以醋酸钯和水溶性Salen (L)的用量为溴苯衍生物的0.2%, K2CO3为辅助碱, 四丁基溴化铵为相转移催化剂, 设定100 ℃以及反应8 min为条件, 考察溴苯衍生物与苯乙烯和丙烯酸酯的Heck反应.
2.3 不同底物的Heck反应根据上面所确定的反应条件, 考察了溴苯及其衍生物与苯乙烯和丙烯酸的Heck偶联反应, 结果见表 2.
表 2的结果显示, 溴苯衍生物上取代基的电负性对偶联反应的影响很小, 这可能是微波效应拉平了反应速度的缘故.而取代基位置对反应有一定的影响, 邻位取代因空间位阻作用, 其收率小于对位取代的衍生物.乙烯衍生物上的取代基对偶联反应的影响明显, 苯基明显好于羧基.如果在反应体系中, 没有水溶性Salen存在, 提高反应温度并延长反应时间, 也会得到85%的收率, 但是在反应过程中产生了大量钯黑, 水相在第一次循环利用时, 只得到15%的收率.
对于保留的水相, 做了4次循环使用.循环使用水相时, 只是在上次反应保留的水相中, 加入与首次反应相同摩尔量的溴苯(或其衍生物)与乙烯衍生物, 补充适量水, 使反应体积保持在15 mL.并在相同条件下进行反应和后处理.水相在循环第3次循环使用时, 反应过程结束后, 发现反应混合液表面出现钯黑, 这说明部分水溶性Salen-Pd配合物已被破坏, 并且在水相第4次循环使用时, 收率明显低于第3次循环.
2.4 Sonogashira偶联反应条件的选择Sonogashira偶联反应是Pd在Cu盐存在下催化端基炔烃与芳基或乙烯基卤代物形成碳-碳键的重要反应, 然而, 因为铜盐的存在, 反应后会有些氧化副产物存在.因此, 现在已经发展了无铜盐的Sonogashira偶联反应, 这里我们也采用无铜盐的催化体系, 以苯乙炔和溴苯为底物来选择Sonogashira偶联反应的反应条件, 其结果表 3所示.
与Heck反应一样, 在微波加热前, 醋酸钯、水溶性配体、底物及相转移催化剂在水中预先搅拌1 h, 使醋酸钯与配体反应生成Pd配合物.从表 3中的结果可以看出, 在催化体系中, 如果没有相转移催化剂存在, 反应收率很低.四丁基溴化铵和十六烷基三甲基溴化铵作为相转移催化剂都能获得很好的收率, 但是使用十六烷基三甲基溴化铵作为相转移催化剂时, 在反应过程中, 会产生大量泡沫, 控制不好会影响反应收率.碱对反应也有影响, K2CO3和KOH都能获得不错的反应收率.反应温度在80 ℃时, 反应15 min, 就能使反应基本完成, 但是, 70 ℃时, 即使反应20 min, 收率也只有76%.因此, 我们选定醋酸钯、水溶性Salen与底物溴苯的摩尔比为1:400, 碳酸钾为碱, 四丁基溴化铵为相转移催化剂, 反应温度80 ℃, 来考察原位生成水溶性Salen-Pd催化微波促进水相中的溴苯衍生物与苯乙炔衍生物sonogashira偶联反应.
2.5 不同底物的Sonogashira偶联反应根据2.3节最后确定的反应条件, 我们考察了一系列溴苯衍生物与苯乙炔衍生物之间的Sonogashira偶联反应, 结果见表 4.
表 4的结果显示, 大部分的溴苯衍生物与苯乙炔衍生物的Sonogashira偶联反应, 取代基的电子效应对反应影响并不明显, 基本都能获得98%以上的收率.这也可能是微波效应拉平了反应速度.但空间位阻对反应影响较大, 如2-溴甲苯与苯乙炔的偶联反应收率就比4-溴甲苯的收率低15%.对位为推电子集团的溴苯与4-氟苯乙炔反应时, 收率比溴苯与4-氟苯乙炔反应的要低, 并且偶联收率随溴苯上取代基推电子能力加强而降低, 这一现象与文献[23]报道的结果类似.与Heck反应一样, 保留的水相做了4次循环应用, 从表 4可以看出, 水相在第3次循环使用时, 水相催化剂都有比较好的催化活性, 但也就是在第3次循环使用时, 反应结束后, 发现水的表面出现钯黑, 因此, 水相第4次循环使用时, 所得收率远低于第3次.
3 结论我们将一种水溶性Salen与Pd原位生成水溶性Salen-Pd配合物催化微波加热的水中Heck反应和Sonogashira偶联反应.实验数据表明, 反应体系中, 加入的水溶性Salen与醋酸钯形成配合物后, 能有效稳定Pd催化剂, 延缓钯黑生成, 延长催化剂使用寿命.该催化体系十分高效, Heck反应仅8 min完成, Sonogashira偶联反应15 min完成; 绿色环保, 该体系以水为溶剂; 催化剂多次循环使用, 降低了贵金属催化剂使用成本.因此, 这种水溶性催化体系有很好的应用前景.
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