CN101244390B - 用于偶联反应的无金属催化剂体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于偶联反应的无金属催化剂体系，其主要由碳酸钾和聚乙二醇组成，碳酸钾与聚乙二醇的摩尔比为60∶1至600∶1。本发明的催化体系无贵金属和过渡金属，彻底解决了以往催化剂存在的价格昂贵、毒性等问题。本发明的催化体系可适用于各种偶联反应，成本低廉且可以循环使用，无需惰性气体保护，反应操作和后处理操作也非常简单，有望进行大规模应用和工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化剂体系，具体涉及一种用于偶联反应的无金属催化剂参与的催化体系。
背景技术
偶联反应是一类十分有用的反应，特别是铃木(Suzuki-Miyaura)偶联反应，是构建碳碳键的一个非常有用的合成手段，广泛应用于各类聚合物如农用化学品、药物中间体等的合成。
可供选择的Suzuki-Miyaura偶联反应催化剂可以是在有磷配体存在下的钯络合物，如Pd(dPPf)2或Pd(PPh3)4。然而，采用这类催化剂存在下列问题：①钯的价格昂贵，因而，利用该反应制备有机化合物的成本较高；②金属钯具有较强的毒性，并且，其磷配体不稳定，对热敏感，活性相对低的芳香化合物在高温下反应会导致催化剂迅速钝化沉淀出钯黑，因而影响了其在药物合成等场合中的应用。
在现有技术中，至今为止关于无过渡金属催化剂参与的Suzuki-Miyaura偶联反应只有Nicholas E.Leadbeater课题组的报道。
根据文献1[Angew.Chem.Int.Ed.2003，42，1407-1409](德国化学会志)和文献2[J.Org.Chem.2003，68，5660-5667](美国化学会：有机化学)的报道：作者报道了一种无过渡金属催化剂参与的催化体系，以水为反应介质，以碳酸钠为碱，以TBAB(四丁基溴化铵)为添加剂，用微波反应器，其中功率为100W，反应温度为150℃，时间为5分钟。而一般油浴在相同的温度下，加热5个小时也到不到这样的效果。
上述文献中报道的催化体系仅仅适用于芳基碘代物和溴代物与芳基硼酸的偶联反应，对于芳基氯代物的偶联反应则无法进行。其中比较反常的结果是，对于相同的催化体系，该体系对于芳基溴代物反应反而比芳基碘代物的效果更好，这与化学中碳-碘键比碳-溴键更容易断裂相违背。
同时，文献1和2中的操作其实非常危险，在密闭的容器中瞬间达到溶剂(水)沸点之上的温度，容易发生容器的爆裂。
更大的问题是：Nicholas E.Leadbeater课题组在两年后发现他们之前的报道是不正确的，并不是纯粹无过渡金属催化剂参与的偶联反应。根据文献3[J.Org.Chem.2005，70，161-168](美国化学会：有机化学)的报道：他们以前报道中所使用的碱(碳酸钠)中其实含有10-24ppb量的钯，而仅仅如此量的钯催化剂的存在足可以催化偶联反应进行，因此，他们的报道并不是真正意义上的无过渡金属参与的偶联反应。此外，他们发现商业上获得的碳酸钠都含有少量的钯，而碳酸钾却不含钯。
即，现有技术中用于偶联反应的催化剂体系都含有贵金属和/或过渡金属，存在价格昂贵、毒性等问题，且为了避免金属氧化，一般需要惰性气体保护，操作条件严格。
因此，如果能开发出完全不含过渡金属催化剂的催化体系用于偶联反应，必将具有很大的意义。
发明内容
本发明目的是提供一种用于偶联反应的无金属催化剂体系。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于偶联反应的无金属催化剂体系，主要由碳酸钾和聚乙二醇组成，碳酸钾与聚乙二醇的摩尔比为60∶1至600∶1。
实验证明，上述体系可用于催化偶联反应，该催化体系中不含钯，实际试验中，对催化体系中的碳酸钾、聚乙二醇，以及反应原料均进行测试，在10～24ppb范围内检测不到钯，说明本发明的催化体系确为不含钯的催化体系。
上述技术方案中，所述无金属催化剂体系中包括有碘，所述碳酸钾与碘的摩尔比为5∶1至30∶1。
上述技术方案中，所述聚乙二醇的分子量在200到800之间。
本发明所述无金属催化剂体系可应用于偶联反应，加入的催化剂体系以碳酸钾计，相当于芳基卤代物的1～5当量，偶联反应在110℃～140℃下进行，反应时间为12小时～40小时，反应在空气中进行。
上文中，采用的催化体系，是无中心金属参与的催化体系，因而可以直接在空气中进行，不需要在严格的气体保护下进行。通过对比发现，采用上述催化体系的反应在空气中进行反而获得了比在惰性气体保护下获得更好的结果，可能原因是空气中的氧气参与了该偶联反应的进行(氧化加成过程)。
在实际反应时，根据情况，可以循环使用催化剂，此时，当反应结束时，往体系中加入低沸点溶剂，直接在反应器中萃取3～4次，每次把上层有机层小心倾析并且合并，最终将合并的有机溶剂通过干燥、浓缩并进行简单的柱层析，即可得到偶联产物，下层的催化剂体系可循环使用。
其中，所述低沸点溶剂为乙醚。
如果实际使用时不需要循环使用催化剂，则在反应结束时，先住体系中加入水再加入溶剂进行萃取，萃取溶剂以采用乙酸乙酯为优选，经过萃取、干燥、柱层析等操作可得到产物。
进一步的技术方案，用于催化芳基氯代物进行偶联反应时，加入与碳酸钾的摩尔比为1∶10的碘，反应温度为140℃，反应时间为40小时。
用于催化芳基溴代物进行偶联反应时，加入与碳酸钾的摩尔比为1∶10的碘，反应温度为140℃，反应时间为28～36小时。
用于催化芳基碘代物进行偶联反应时，反应温度为140℃，反应时间为12小时。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.由于本催化剂体系无贵金属和过渡金属，彻底解决了以往催化剂存在的价格昂贵、毒性等问题。
2.本催化剂体系在进行偶联反应时不需要惰性气体的保护。
3.本催化体系可以循环使用，且操作非常方便，只需分批加入乙醚溶剂，体系继续搅拌，产物就会自动进入乙醚相，从而实现了催化剂体系与产物的自动分离。上层有机相只需倾析即可，然后合并后简单柱层析便可得最终产物。对于剩下的体系直接加入两个原料即可进行第二轮催化反应。
4.本催化体系适用的底物范围较宽，包括各类芳基卤代物和各类芳基硼酸，产物的化学收率最高超过99％；
可见，本催化体系和以往的催化体系有着本质的区别，催化体系成本低廉 且可以循环使用，无需惰性气体保护，反应操作和后处理操作也非常简单，有望进行大规模应用和工业化生产。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一
在一反应试管中依次装入碳酸钾(0.6mmol，83mg)，对甲苯硼酸(0.4mmol，56.1mg)以及聚乙二醇400(2mL)，然后加入碘苯(0.3mmol，34.2mL)。该体系不需惰性气体保护即在空气中直接密封后在140℃的油浴加热约12小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃))即可得偶联产物4-甲基联苯(50.4mg)，收率超过99％。产物的熔点为46～47℃；其核磁数据为：1H NMR(CDCl3，300Hz)(δ，ppm)2.37(s，3H，CH3)，7.24(d，J＝7.6 Hz，2H，ArH)，7.30(t，J＝7.6 Hz，1H，ArH)，7.40(t，J＝7.6 Hz，2H，ArH)，7.48(d，J＝7.8 Hz，2H，ArH)，7.56(d，J＝7.6 Hz，2H，ArH)；13C NMR(75 MHz，CDCl3)(δ，PPm)141.61，138.81，137.46，129.95，129.18，127.45，127.43，21.57。
实施例二
在一反应试管中依次装入碳酸钾(0.6mmol，83mg)，苯硼酸(0.4mmol，48.8mg)以及聚乙二醇400(2mL)，然后用微量进样器加入碘苯(0.3mmol，34.2μL)。然后该体系密封后在140℃的油浴加热约12小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃))即可得偶联产物联苯(44.8mg)，收率超过99％。产物的核磁数据为：1H NMR(400MHz，CDCl3)(δ，PPm)7.60(t，J＝7.2 Hz，4H，ArH)，7.45(t，J＝7.2 Hz，4H，ArH)，7.36(d，J＝7.2Hz，2H，ArH)；13C NMR(100 MHz，CDCl3)(δ，ppm)141.67，129.22，127.72，127.64。
实施例三
在一反应试管中依次装入碳酸钾(0.6mmol，83mg)，3-甲氧基苯硼酸(0.4 mmol，60.8mg)以及聚乙二醇400(2mL)，然后用微量进样器加入碘苯(0.3mmol，34.2μL)。然后该体系密封后在140℃的油浴加热约12小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃))即可得偶联产物3-甲氧基联苯(55.3mg)，收率超过99％。产物的核磁数据为：1HNMR(CDCl3，300Hz)(δ，ppm)3.76(s，3H，CH3O)，6.80(d，J＝7.8Hz，1H，ArH)，7.08(t，J＝9.3Hz，6H，ArH)，7.23-7.36(m，2H，ArH)，7.50(d，J＝7.5Hz，2H，ArH)；13C NMR(100MHz，CDCl3)(δ，ppm)160.37，143.20，141.53，130.20，129.18，127.86，127.64，120.11，113.33，113.10，55.71。
实施例四
在一反应试管中依次装入碳酸钾(0.6mmol，83mg)，4-氯碘苯(0.3mmol，71.4mg)，4-氯苯硼酸(0.4mmol，62.4mg)以及聚乙二醇400(2mL)。然后该体系密封后在140℃的油浴加热约12小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃)和乙酸乙酯的混合溶剂(体积比为10∶1))即可得偶联产物4，4’-二氯联苯(66.6mg)，收率超过99％。产物的核磁数据为：1H NMR(300MHz，CDCl3)(δ，ppm)7.33(d，J＝8.4Hz，4H，ArH)，7.40(d，J＝8.1Hz，4H，ArH)；13C NMR(75MHz，CDCl3)(δ，ppm)138.88，134.02，129.52，128.70。
实施例五
在一反应试管中依次装入碘(0.06mmol，15.2mg)，碳酸钾(0.6mmol，83mg)，2-甲氧基苯硼酸(0.4mmol，60.8mg)以及聚乙二醇400(2mL)，然后用微量进样器加入碘苯(0.3mmol，34.2μL)。然后该体系密封后在140℃的油浴加热约12小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃))即可得偶联产物2-甲氧基联苯(49.8mg)，收率为90％。产物的核磁数据为：1H NMR(CDCl3，300Hz)(δ，ppm)3.70(s，3H，CH3O)，6.987-6.96(m，2H，ArH)，7.21(t，J＝6.3Hz，3H，ArH)，7.31(t，J＝7.2Hz，2H，ArH)，7.44(d，J＝7.5Hz，2H，ArH)；13C NMR(100MHz，CDCl3)(δ，ppm) 156.84，138.93，131.30，129.95，129.02，128.39，127.32，121.22，111.60，55.94。
实施例六
在一反应试管中依次装入碘(0.06mmol，15.2mg)，碳酸钾(0.6mmol，83mg)，4-氯溴苯(0.3mmol，57.0mg)，4-氟苯硼酸(0.4mmol，56.0mg)以及聚乙二醇400(2mL)。然后该体系密封后在140℃的油浴加热约36小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃))即可得偶联产物4-氯-4’-氟联苯(53.2mg)，收率为86％。产物的核磁数据为：1H NMR(CDCl3，400Hz)(δ，ppm)7.12(t，J＝8.8Hz，2H，ArH)，7.38-7.51(m，6H，ArH)；13C NMR(CDCl3，100Hz)(δ，ppm)164.27，161.82，139.13，136.57，136.54，133.85，129.42，128.70，116.34，116.13。
实施例七
在一反应试管中依次装入碘(0.06mmol，15.2mg)，碳酸钾(0.6mmol，83mg)，(E)-β-苯乙烯溴(0.3mmol，54.6mg)，苯硼酸(0.4mmol，48.8mg)以及聚乙二醇400(2mL)。然后该体系密封后在140℃的油浴加热约36小时，先加入2mL水淬灭反应，然后用乙酸乙酯萃取(4mL×3)，合并有机相并用无水硫酸钠干燥后，浓缩后通过简单的柱层析(洗脱剂使用石油醚(60～90℃))即可得双键构型仍然保持的偶联产物(E)-二苯基乙烯(48.7mg)，收率为90％。产物的核磁数据为：1H NMR(400MHz，CDCl3)(δ，ppm)7.13(s，2H)，7.24-7.30(m，2H)，7.38(t，J＝7.6Hz，4H)，7.54(d，J＝7.2Hz，4H)；13C NMR(100MHz，CDCl3)(δ，ppm)137.79，129.15，128.08，126.98。
Claims (9)
1.一种用于偶联反应的催化剂体系，其特征在于：由碳酸钾和聚乙二醇组成，碳酸钾与聚乙二醇的摩尔比为60∶1至600∶1。
2.根据权利要求1所述的催化剂体系，其特征在于：所述聚乙二醇的分子量在200到800之间。
3.一种用于偶联反应的催化剂体系，其特征在于：由碳酸钾、聚乙二醇和碘组成，碳酸钾与聚乙二醇的摩尔比为60∶1至600∶1，所述碳酸钾与碘的摩尔比为5∶1至30∶1。
4.权利要求1或3所述催化剂体系在偶联反应中的应用，其特征在于：加入的催化剂体系以碳酸钾计，相当于芳基卤代物的1～5当量，偶联反应在110℃～140℃下进行，反应时间为12小时～40小时，反应在空气中进行。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：反应结束时，往体系中加入低沸点溶剂，直接在反应器中萃取3～4次，每次把上层有机层小心倾析并且合并，最终将合并的有机溶剂通过干燥、浓缩并进行简单的柱层析，即可得到偶联产物，下层的催化剂体系可循环使用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述低沸点溶剂为乙醚。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：用于催化芳基氯代物进行偶联反应，加入与碳酸钾的摩尔比为1∶10的碘，反应温度为140℃，反应时间为40小时。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：用于催化芳基溴代物进行偶联反应，加入与碳酸钾的摩尔比为1∶10的碘，反应温度为140℃，反应时间为28～36小时。
9.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：用于催化芳基碘代物进行偶联反应，反应温度为140℃，反应时间为12小时。
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