CN102267848A - 一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法是采用容易制备、对水和空气稳定、催化活性高的纳米钯催化剂催化芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应合成联苯类化合物。该合成方法具有工艺过程简单,反应收率高等特点。
Description
技术领域
本发明一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法,纳米钯催化剂催化芳基硼酸与芳基四氟硼酸重氮盐发生Suzuki偶联反应生成联苯类化合物,属于有机化学或有机合成领域。
背景技术
Suzuki偶联反应是现代有机合成化学中构建碳-碳键的最有效方法之一,在许多天然产物和药物复杂有机分子的合成中起到了非常重要的作用。有机硼烷与有机亲电试剂之间的偶联反应称为Suzuki偶联反应[(a)Suzuki A. Organoboron
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Cross-coupling Reaction of Organoboron Derivatives
with Organic Halides[J]. Pure. and Appl. Chem., 1991,
63(3): 419-422.],大多数Suzuki偶联反应是以碘代、溴代作为亲电试剂,但近年来以芳基四氟硼酸重氮盐作为亲电试剂成为新的研究热点,关于钯催化芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸发生Suzuki偶联反应的研究已有不少报道[(a) Taylor R. H., Felpin
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salts catalyzed by Pd(0)/C One-pot chemoselective
double crosscoupling reactions[J]. Org. Lett., 2007, 9(15): 2911-2914.(b)Felpin
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N-heterocyclic carbenepalladium catalyst[J]. Synlett, 2007, 2007(15): 2410–2414.(h)Felpin F. X., Fouquet E., Zakri C. Improved Suzuki–Miyaura reactions of aryldiazonium
salts with boronic acids by tuning palladium on
charcoal catalyst properties[J]. Adv. Synth. Catal., 2009, 351(4): 649-655.],但很多芳基硼酸与芳基四氟硼酸重氮盐发生Suzuki偶联反应所用催化剂具有价格较高、催化活性较低、催化剂用量大等缺点,催化剂用量在1-10mol%之间[(a) Qin Y. C., Wei W., Luo M. M.Suzuki-Miyaura crosscoupling of
arenediazonium salts with arylboronic
acids catalyzed by a recyclable polymersupported
n-heterocyclic carbenepalladium catalyst[J].Synlett, 2007, 2007(15): 2410-2414. (b)Dai M. J., Liang B., Wang C. H., et al. Synthesis of a novel c 2-symmetric
thiourea and its application in the Pd-catalyzed crosscoupling reactions with arenediazonium
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S., Jeffery T., Genet J. P., et al. Crosscoupling of arenediazonium tetrafluoroborates
with arylboronic acids catalysed
by palladium[J]. Tetrahedron Lett., 1996,
37(22): 3857-3860.],而本发明采用一种纳米钯催化剂催化芳基硼酸与芳基四氟硼酸重氮盐发生Suzuki偶联反应,催化剂的用量只有0.3 mol% Pd,这就证明了该催化剂的高效性。
发明人充分查阅并分析了关于芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸经Suzuki偶联反应的文献资料,认为该类反应的研究难点为:合成或筛选具有高效、稳定的催化剂,催化剂应具有活性高、用量小、对水和空气稳定等特点,而且在合成过程中无需加入配体,也无需进行无水无氧处理。围绕该研究难点,发明人于2009年初开展了该方面的研究工作,参照文献合成、筛选了大量的催化剂,并将得到的催化剂同时用于卤代芳烃与芳基硼酸、芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应,但结果均不尽人意。而发明人所在课题组在以胆固醇为原料制备胆甾烷醇和胆甾烷酮时所用的催化剂是一种负载的纳米钯催化剂,该催化剂以Pd(PPh3)4为主要原料制得,且能同时催化氧化和还原反应[Kwon M. S., Kim N., Park C. M., et al.
Palladium nanoparticles entrapped in aluminum
hydroxide: dual catalyst for alkene hydrogenation and
aerobic alcohol oxidation[J]. Org. Lett., 2005, 7(6):
1077-1079.],通过对纳米钯催化剂进行透射电镜分析,可知所制备的纳米钯催化剂为纳米纤维状,该催化剂的制备过程为:
发明人将该纳米钯催化剂用于催化氯代芳烃、溴代芳烃与芳基硼酸的Suzuki偶联反应,竟然得到了意外的理想结果,该催化剂能很好实现氯代芳烃与芳基硼酸的Suzuki偶联反应。基于此,发明人将制得的纳米钯催化剂用于芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应,结果表明,该催化剂能很好的催化芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应进而生成联苯类产物。
发明内容
本发明一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法,要解决的技术问题是采用一种容易制备、对水和空气稳定、催化活性高的纳米钯催化剂催化芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应合成联苯类化合物,该催化剂具有高效、稳定、用量小等优点,且在反应过程中无需添加配体或碱、无需进行无水无氧处理、无需加入配体,反应方程式如下:
式中, R1、R2代表2-、3-、4-位上的取代基,可以是各种吸电子或给电子的取代基,可为单取代或多取代,R1、R2可为相同或不同的基团;
上述反应条件如下:
所用的纳米钯催化剂用量是原料芳基四氟硼酸重氮盐用量的0.1-0.3 mol%;
芳基硼酸与芳基四氟硼酸重氮盐的摩尔比为1.0:1.0-1.3:1.0;
所用溶剂为甲醇或乙醇;
反应温度为0-50℃,反应时间为1-20h。
在上述的一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法,所述R1优选为-Ph、-H、-CH3或-NO2;所述R2优选为-CH3或-H;所述反应温度优选为0-35℃;反应时间优选为2-6h。
发明人将一种纳米钯催化剂用于催化芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸Suzuki偶联反应合成联苯类化合物,研究了纳米钯催化剂催化下的芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应,得到了不错的结果。结果表明,纳米钯催化剂能很催化完成芳基四氟硼酸重氮盐与芳基硼酸的Suzuki偶联反应,如对于邻硝基苯四氟硼酸重氮盐、间硝基苯四氟硼酸重氮盐、对硝基苯四氟硼酸重氮盐与苯硼酸的偶联反应收率分别可达94%、92%、97%,而无取代基的苯四氟硼酸重氮盐与苯硼酸的反应收率可达92%。在很多芳基四氟硼酸重氮盐和芳基硼酸的偶联反应文献中,催化剂用量在1-10
mol %之间,而本发明的催化剂用量只有0.3 mol%。
具体实施方式
(1)纳米钯催化剂的制备
向圆底烧瓶中加入四(三苯基膦)钯 (260 mg, 0.225 mmol)、四甘醇(418 mg, 2.20 mmol)、三仲丁基醇(氧)铝 (9.50 g, 38.5 mmol)、正丁醇(3mL, 32.7 mmol),在120 ℃下搅拌10 h得到黑色悬浊液,然后逐滴加入2 mL水,加毕后在120 ℃下继续反应0.5 h,将得到的黑色固体过滤后用丙酮洗涤,在室温下干燥得到的橄榄绿色固体粉末即为纳米钯催化剂。
(2)联芳类化合物的合成
在1.8mL甲醇中依次加入0.3mmol芳基四氟硼酸重氮盐、1.2mol eq.芳基硼酸和0.3 mol%纳米钯催化剂,控制反应温度搅拌至反应体系中无重氮盐剩余,采用TLC检测反应进程。反应停止后减压蒸馏除去溶剂,残留物经硅胶柱纯化后可得到目标产物联苯类化合物,柱层析洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯=150:1。
采用本发明的方法,以苯四氟硼酸重氮盐为标准底物对反应条件进行了优化,结果如下:
表1 催化剂用量对收率的影响a
序号 | 纳米钯催化剂用量(mol%) | 反应时间(h) | 收率b (%) |
1 | 0.1 | 5.5 | 56 |
2 | 0.2 | 4 | 69 |
3 | 0.3 | 4 | 92 |
a)反应条件:芳基四氟硼酸重氮盐 (0.3 mmol),
芳基硼酸 (1.2 eq.,
0.36 mmol),
溶剂甲醇(1.8 mL), 反应温度(25℃);b)分离收率。
表2 溶剂种类对收率的影响a
序号 | 溶剂 | 收率b (%) |
1 | 甲醇 | 92 |
2 | 乙醇 | 73 |
3 | 异丙醇 | 无产物 |
4 | 水 | 无产物 |
5 | 二氯甲烷 | 无产物 |
6 | 四氢呋喃 | 少量产物 |
7 | 二氧六环 | 少量产物 |
8 | 二甲基亚砜 | 无产物 |
9 | N,N-二甲基甲酰胺 | 无产物 |
a)反应条件:芳基四氟硼酸重氮盐(0.3 mmol),
芳基硼酸 (1.2 eq.,
0.36 mmol),
纳米钯催化剂(0.3mol%),溶剂用量(1.8 mL), 反应温度(25℃),
反应时间(4h);b)分离收率。
表3 溶剂用量对收率的影响a
序号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
溶剂甲醇用量(mL) | 1.5 | 1.8 | 2 | 4 |
收率b (%) | 70 | 92 | 75 | 61 |
a)反应条件:芳基四氟硼酸重氮盐(0.3 mmol),
芳基硼酸 (1.2 eq.,
0.36 mmol),
纳米钯催化剂(0.3mol%),反应温度(25℃),反应时间(4h);b)分离收率。
表4 反应温度和时间对收率的影响a
序号 | 反应温度(℃) | 反应时间(h) | 收率b (%) |
1 | 13 | 10 | 85 |
2 | 25 | 4 | 92 |
3 | 35 | 0.75 | 62 |
4 | 45 | 0.75 | 52 |
a)反应条件:芳基四氟硼酸重氮盐(0.3 mmol),
芳基硼酸 (1.2 eq.,
0.36 mmol),
纳米钯催化剂(0.3mol%),溶剂(甲醇,1.8 mL);b)分离收率。
表5原料配比对收率的影响a
序号 | 芳基重氮盐:苯硼酸(mol: mol) | 收率b (%) |
1 | 1.0:1.1 | 55 |
2 | 1.0:1.2 | 92 |
3 | 1.0:1.3 | 75 |
a)反应条件:芳基四氟硼酸重氮盐(0.3 mmol),
纳米钯催化剂(0.3mol%),
溶剂甲醇(1.8 mL),反应温度(25℃),反应时间(4h);b)分离收率。
在上述优化条件的过程中发现,原料苯硼酸可发生自偶联反应而生成联苯,因联苯同时也是目标产物,故进一步通过空白实验考察苯硼酸的自偶联反应对收率的影响。研究发现在最优条件下苯硼酸自偶联收率只有1%,与该条件下芳基四氟硼酸重氮盐与苯硼酸的反应收率92%相比,其影响甚小。
在上述优选条件下,对芳基四氟硼酸重氮盐和芳基硼酸进行扩展,反应结果如下:
表6 芳基四氟硼酸重氮盐和芳基硼酸的Suzuki偶联反应a
a)反应条件:芳基四氟硼酸重氮盐 (0.3 mmol),
芳基硼酸 (1.2 eq.,
0.36 mmol), 纳米钯催化剂 (0.3
mol%), 溶剂甲醇(1.8 mL), 反应温度(25℃);b)分离收率;c)反应温度(20℃);d)纳米钯催化剂(0.5 mol%);e)反应温度(0℃)。
由结果可看出,反应温度为25℃时,部分重氮盐的偶联反应收率不高,而降低反应温度至20℃可提高其反应收率。总的来说,不论芳基重氮盐的取代基是供电子基还是吸电子基,反应都能很好地进行,且收率较高,即最优条件的广谱性较好。在很多芳基四氟硼酸重氮盐和芳基硼酸的偶联反应文献中,催化剂用量在1-10
mol %之间,而本发明的所有反应中,催化剂的用量只有0.3 mol%,这就证明了该催化剂的高效性。
(3)产物分析数据
核磁共振波谱:溶剂CDCl3,内标TMS,1HNMR数据在600 MHz条件下采集,化学位移的单位采用ppm,其中CDCl3化学位移(δ)是7.27,其中s = singlet, d =
doublet, t = triplet, q = quartet, m = multiplet, 耦合常数单位是Hz.
白色固体,m.p.
65-66℃;1HNMR (600 MHz,
CDCl3): δ7.61-7.62 (d, J
= 7.0 Hz, 4H), 7.44-7.47 (t, 4H, J = 7.5 Hz), 7.35-7.38 (t, 2H, J
= 7.5 Hz) ppm.
黄色液体, 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ7.86-7.88 (dd, 1H, J =
0.6, 7.8 Hz), 7.62-7.65 (td, 1H, J = 1.2, 7.8, 15.0 Hz), 7.48-7.51(m, 1H), 7.42-7.47(m, 4H), 7.33-7.35 (dt,
2H, J = 1.8, 4.2, 8.4 Hz) ppm.
间硝基联苯
白色固体,m.p.
57-59℃; 1H
NMR (600 MHz, CDCl3): δ
7.43-7.46 (m, 1H), 7.50-7.53 (td, J=13.8, 7.2, 1.8 Hz, 2H), 7.61-7.65
(m, 3H), 7.92-7.94 (m, 1H), 8.20-8.22 (m, 1H), 8.46-8.47 (t, J=3.6, 1.8
Hz, 1H) ppm.
pale yellow solid; mp 113-115℃;1H NMR
(600 MHz, CDCl3): δ
7.45-7.48 (m, 1H), 7.50-7.53 (m, 2H), 7.63-7.65 (dt, J=9.0,
7.2 Hz, 2H), 7.74-7.76 (dt, J=10.8, 9.0 Hz,
2H), 8.30-8.32 (dt, J=11.4, 9.6 Hz, 2H) ppm.
white solid; mp 89-90℃;1H NMR
(600 MHz, CDCl3): δ
7.37-7.40 (t, J=7.2 Hz, 1H), 7.45-7.49 (m, 4H), 7.57-7.60 (m, 2H) ppm.
white solid; mp 41-43℃;1H NMR
(600 MHz, CDCl3): δ 2.43
(s, 3H), 7.28-7.29 (d, J=7.8 Hz, 2H), 7.34-7.37 (dt,
J=15.0, 7.2 Hz, 1H), 7.44-7.47 (t, J=13.2 Hz, 2H), 7.52-7.54 (d, J=7.8
Hz, 2H), 7.61-7.62 (dd, J=8.4, 1.2 Hz, 2H) ppm.
yellow oil; 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ 2.42 (s, 3H), 7.23-7.27 (m, 4H), 7.44-7.48 (m, 2H),
7.59-7.62 (td, J=15.0, 7.8, 1.2 Hz, 1H), 7.83-7.84 (dd,
J=7.8, 1.2 Hz, 1H) ppm.
4’-甲基-3-硝基联苯
white solid; mp 75-76℃;1H NMR
(600 MHz, CDCl3): δ 2.43
(s, 3H), 7.31-7.32 (d, J=8.4 Hz, 2H), 7.53-7.54 (dd,
J=6.0, 1.2 Hz, 2H), 7.58-7.61 (t, J=7.8 Hz, 1H), 7.90-7.91 (dt, J=9.6, 7.8 Hz, 1H), 8.17-8.19 (m, 1H), 8.44-8.45
(t, J=1.8 Hz, 1H) ppm.
4’-甲基-4-硝基联苯
white solid; mp 140-142℃;1H NMR
(600 MHz, CDCl3): δ 2.44
(s, 3H), 7.31-7.32 (dd, J=8.4 Hz, 2H),
7.53-7.55 (dt, J=8.4, 1.8 Hz, 2H), 7.71-7.74 (dt, J=9.6, 3.0 Hz, 2H), 8.27-8.30 (dt, J=9.6, 2.4 Hz, 2H) ppm.
white solid; mp 129-130℃;1H NMR
(600 MHz, CDCl3): δ 2.41
(s, 3H), 7.25-7.27 (dd, J=7.8, 0.6 Hz, 2H),
7.44-7.47 (m, 4H), 7.54-7.57 (dt, J=9.0, 2.4
Hz, 2H) ppm。
通过以上实施例有助于理解本发明,但并不限制于本发明的内容。
Claims (4)
2.如权利要求1所述的一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法,所述R1优选为-Ph、-H、-CH3或-NO2。
3.如权利要求1所述一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法,所述R2优选为-CH3或-H。
4.如权利要求1所述的一种纳米钯催化剂催化Suzuki偶联反应合成联苯类化合物的方法,述反应温度优选为0-35℃;反应时间优选为2-6h。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20111207 |