CN110124732A - 用于金属催化偶联反应的高分子催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子催化领域，具体为一种用于金属催化偶联反应的可溶性高分子催化剂及其制备方法。本发明的高分子催化剂为聚乙二醇单甲醚（PEG）端基负载的单齿膦配体。该催化剂可以通过三步反应制得，具有催化剂用量少、活性高、可回收和底物范围广等优点，可用于催化多种偶联反应。

Description

用于金属催化偶联反应的高分子催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子催化剂技术领域，具体涉及可溶性高分子催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
金属催化偶联反应在合成化学领域有着不可替代的地位，广泛应用于制备催化剂、天然产物、药物、高分子和一些特殊的化学材料，一直受到化学工作者的关注和深入研究。用于金属催化偶联的小分子均相催化剂，虽然催化效率较高，但是均相小分子催化剂的回收和再利用仍是金属催化偶联反应所需要克服的困难之一。将配位基团负载到合适的载体上能有效的解决催化剂回收和再利用的问题，可以通过化学或者物理的方法将催化剂负载到材料的表面或者空隙内，但是这类负载催化剂多数会影响催化剂的催化活性。除此之外，现行的偶联催化剂多数是使用贵金属类催化剂在纯有机溶剂中发生反应，因此，具有低催化剂负载量，可回收和水性条件的方法受到越来越多的关注。例如，Lipshutz组报道了使用二烷基膦配体络合ppm级别的Pd以水作为溶剂催化偶联反应（Science 2015, 349,1087）。Carrow小组报道了三（金刚烷基）膦-Pd配合物在低Pd负载量的有机溶剂中的催化过程（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6392）。也有报道使用Pd负载的聚合物材料催化偶联反应并通过均相或者多相实现催化剂的循环利用（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3190，Chem. Commun. 2019, 55, 822）。
本发明开发了一类可溶性高分子催化剂，可以通过一种新型的双相穿梭模式实现催化剂的循环利用，同时保证其在金属偶联反应中的催化活性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种用于金属催化偶联反应的可溶性高分子催化剂及其制备方法。
本发明提供的可溶性高分子催化剂，为PEG端基负载的单齿膦配体，其结构如下式所示：
其中，R可以为环己基、芳香基、叔丁基和异丙基等基团；同时PR2可以在苯环邻间对不同的位置；PEG为具有不同分子量的聚乙二醇单甲醚。
本发明还提供上述可溶性高分子催化剂（PEG端基负载的单齿膦配体）的制备方法，具体步骤如下：
步骤（1），在低温状态下，在溶剂中，将溴代苯酚和叔丁基二甲基氯硅烷（TBSCl）进行取代反应，制得如式（II）所示催化剂中间体；
其中，反应时间为0.5~16小时；溴代苯酚与叔丁基二甲基氯硅烷（TBSCl）的摩尔比为1:（1~4）；反应温度为-80~20℃；
步骤（2），在低温状态下，在溶剂中，将如式（II）所示中间体进一步反应制得如式（III）所示高分子催化剂中间体：
其中，反应时间为0.5~16小时；式（II）与R2PCl、Bu4NF、HBF4的摩尔比为1 :（1~2）: （1~4）：（1~4）；反应温度为-80~20℃；
步骤（3），在加热状态下，在溶剂中，将如式（III）所示中间体进一步反应制得如式（I）所示高分子催化剂：
其中，反应时间为0.5~24小时；式（III）与TsO-PEG的摩尔比为（1-6）: 1；反应温度为20~150℃。
本发明中，所述的溶剂为有机溶剂和/或无机溶剂。
所述的溶剂可以为甲苯、二氯甲烷、N, N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1 ,4-二氧六环和水的一种或几种溶剂的混合溶剂。
本发明所述的高分子催化剂，在不同分子量PEG的基础上合成，并表现出不同的热敏性。
本发明所述的高分子催化剂在不同金属催化下多类偶联反应（C-C、C-N）的应用。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
通过分步反应得到一系列结构新颖的高分子催化剂（I）。该催化剂具有用量少、活性高、可回收和底物范围广等优点，可用于催化多种偶联反应，应用前景广阔。
附图说明
图1为高分子催化剂中间体化合物2的1H NMR。
图2为高分子催化剂中间体化合物2的13C NMR。
图3为高分子催化剂中间体化合物2和高分子催化剂化合物3的31P NMR。
图4为高分子催化剂化合物3的MALDI-TOF谱图。
图5为高分子催化剂化合物3的GPC谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂、仪器等未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本发明原料可通过本领域的公知的方法来制备或通过市售产品获得。
以下进一步解释本发明的PEG端基负载的单齿膦配体合成的一般方法，但本发明PEG端基负载的单齿膦配体的制备方法不局限于此。
合成本发明的高分子催化剂的方法如下：
步骤（1），在低温状态下，将溴代苯酚和叔丁基二甲基氯硅烷（TBSCl）在适当溶剂中，有/无催化剂条件，有机/无机碱，进行取代反应。反应完成后用合适溶剂洗涤或者重结晶制备得到中间体（II），具体反应如下：
步骤（2），在低温状态下，在适当溶剂中，有/无催化剂条件，有机/无机碱，将如式（II）所示中间体进一步反应。反应完成后用合适溶剂洗涤或者重结晶制备得到中间体（III），具体反应如下：
步骤（3），在加热状态下，在适当溶剂中，有/无催化剂条件，有机/无机碱，将如式（III）所示中间体进一步反应。反应完成后用合适溶剂洗涤或者重结晶制备得到如式（I）所示高分子催化剂，具体反应如下：
其中，R可以为环己基、芳香基、叔丁基和异丙基等基团；同时PR2可以在苯环邻间对不同的位置；PEG为具有不同分子量的聚乙二醇单甲醚。
反应中，催化剂不作具体规定，常为醋酸钯，四三苯基膦钯或氯化钯。碱不作具体规定，常为无机碱或有机碱。溶剂不作具体规定，常为乙醇、丙酮、甲醇、水、乙酸乙酯、氯仿、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、甲苯、1,4-二氧六环、乙腈中的一种或几种溶剂的混合溶剂，反应温度不作具体规定，常为-80 ~ 80℃；反应时间不作具体规定，常为0.5 ~16 h。反应完全后蒸发溶剂洗涤过滤取固体。产物重结晶或洗涤分离用溶剂不作具体规定，常为甲醇和甲苯的混合溶剂、乙醇、乙醚。
溴代苯酚、TBSCl、R2PCl、Bu4NF、HBF4和TsO-PEG是公知的，可商购或者可按公知的方法制备。
反应中，对于1 mol的溴代苯酚，TBSCl的用量优选为1–2 mol。反应的收率常大于90%。对于1 mol的式（II）化合物， R2PCl、Bu4NF和HBF4的用量优选为1 ~ 3 mol。反应的收率常大于90%。对于1 mol的式（III）化合物， TsO-PEG的用量优选为0.3 ~ 1 mol。反应的收率常大于90%。
对于本发明产品的干燥方法本发明没有具体要求，可采用烘干、自然干燥、红外灯下干燥等干燥方法。
下面结合部分具体实施方案对本发明进行详述。这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。实施例中的制备方案仅为优选方案，但本发明并不局限于优选制备方案。
第一部分 合成实施例
一、式（II）高分子催化剂中间体的合成：
实施例1：化合物1
在装有磁子的250 mL Schleck瓶中加入对溴苯酚（46.2 mmol, 8.00 g）和4-二甲氨基吡啶（4.62 mmol, 0.56 g）后，加入二氯甲烷（120 mL），0℃下反应15分钟。加入TBSCl（69.4mmol, 10.5 g）,在0℃下反应1小时。旋走二氯甲烷，加入50 ml水，用150 mL乙醚萃取后，氨水洗涤，盐水洗涤，收集有机相并用无水硫酸钠干燥，蒸除溶剂后得无色透明油状液体13.2g，真空干燥产品（化合物1），产率99%。
波谱数据为： 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.38 – 7.31 (m, 2H), 6.76 –6.71 (m, 2H), 1.00 (s, 10H), 0.21 (s, 6H) ppm. 13C NMR (400 MHz, CDCl3): δ =155.1, 132.5, 122.1, 113.8, 25.8, 18.4, –4.3 ppm。
二、式（III）高分子催化剂中间体的合成：
实施例1：化合物2
在-78℃氮气氛围下，装有磁子的100 mL Schleck瓶中加入化合物1（5 mmol, 1.44 g）和10 ml四氢呋喃，10分钟内滴加2.5 M丁基锂正己烷溶液（6 mmol, 2.4 mL）,反应1小时后，加入二环己基氯化磷（5.5 mmol, 1.28 g），-78℃反应12小时。恢复至室温后，加入Bu4NF（10 mmol， 10 mL， 1M）,室温下搅拌两个小时，使用2 mL HBF4（7M）和10 mL水淬灭反应，搅拌两个小时后，旋走四氢呋喃，用50 mL二氯甲烷萃取后，收集有机相并用无水硫酸钠干燥，蒸除溶剂后重结晶得白色固体1.34 g，真空干燥产品（化合物2），产率91%。
波谱数据为： 1H NMR (400 MHz, MeOD) δ 7.98 – 7.34 (m, 2 H), 7.05 (s, 2H), 2.04 (d, J = 14.2 Hz, 2 H), 1.91 – 1.69 (m, 7 H), 1.57 – 1. 07 (m, 11 H)ppm. 13C NMR (100 MHz, MeOD) δ 136.1, 136.0, 117.2, 117.1, 48.5, 48.3, 48.1,47.9, 47.6, 47.4, 47.2, 47.0, 28.3, 27.9, 26.9, 25.8, 25.5, 25.3, 25.3, 25.2,24.9 ppm. 31P NMR (162 MHz, MeOD) δ 25.65 ppm. HR-MS (ESI): m/z calculated forC18H28OP+ (M+H+): 291.1872, found: 291.1873。
三、式（I）高分子催化剂的合成：
实施例1：高分子催化剂化合物3
在装有磁子的50 mL Schleck瓶中加入化合物2（2 mmol, 0.58 g）、TsO-PEG5000（0.5mmol, 2.3 g） 和10 ml二甲基甲酰胺，80℃下反应72小时。恢复至室温后，使用2 mL HBF4（7M）和10 mL水淬灭反应，用60 mL二氯甲烷萃取后，收集有机相并用无水硫酸钠干燥，蒸除溶剂后使用乙醚析出得白色固体2.47 g，真空干燥产品（高分子催化剂化合物3），产率92%。
第二部分 本发明催化剂的金属催化偶联效果
本发明通过使用发明的高分子催化剂，在加热条件下，催化金属偶联反应。
结果表明本发明所用的催化剂在与金属配位后催化偶联反应，可以达到很好的催化活性，同时实现催化剂的循环利用。
应用实施例1
在装有磁子的10 mL Schleck管中加入化合物对甲氧基苯硼酸（2.1 mmol, 0.32 g）、碳酸钾（4 mmol, 0.55 g）、醋酸钯（0.0005 mmol）和高分子催化剂I（0.001 mmol），加入0.4mL和1.6 mL甲苯，90℃下反应20分钟。恢复至室温后，使用20 mL乙酸乙酯萃取后，收集有机相并用无水硫酸钠干燥，蒸除溶剂后，使用柱层析色谱（石油醚）纯化得白色固体2.47 g，真空干燥产品（化合物4），产率99%。
波谱数据为：1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.63 – 7.55 (m, 4 H), 7.50 – 7.42(m, 2 H), 7.41 – 7.31 (m, 1 H), 7.06 – 6.98 (m, 2 H), 3.89 (d, J = 1.0 Hz, 3H) ppm. 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 159.2, 140.8, 133.8, 128.7, 128.2, 126.7,126.7, 114.2, 77.4, 77.0, 76.7, 55.4 ppm。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种可溶性高分子催化剂，为PEG端基负载的单齿膦配体，其结构如式（I）所示：
其中，R为环己基、芳香基、叔丁基和异丙基基团；同时PR2在苯环邻间对不同的位置；PEG为具有不同分子量的聚乙二醇单甲醚。
2.一种如权利要求1所述的可溶性高分子催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤（1），在低温状态下，在溶剂中，将溴代苯酚和叔丁基二甲基氯硅烷TBSCl进行取代反应，制得如式（II）所示催化剂中间体；
步骤（2），在低温状态下，在溶剂中，将如式（II）所示中间体进一步反应制得如式（III）所示高分子催化剂中间体：
步骤（3），在加热状态下，在溶剂中，将如式（III）所示中间体和聚乙二醇单甲醚对甲苯磺酸酯TsO-PEG进一步反应制得如式（I）所示高分子催化剂：
。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，反应时间为0.5~16小时；溴代苯酚与TBSCl的摩尔比为1 :（1~4）；反应温度为-80~20℃。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，反应时间为0.5~16小时；式（II）所示中间体与R2PCl、Bu4NF、HBF4的摩尔比为1 :（1~2）:（1~4）：（1~4）；反应温度为-80~20 ℃。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，反应时间为0.5~24小时；式（III）所示中间体与TsO-PEG的摩尔比为（1-6 : 1）；反应温度为20~150℃。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为有机溶剂和/或无机溶剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为甲苯、二氯甲烷、N, N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、1 ,4-二氧六环和水中的一种，或几种溶剂的混合溶剂。
8.如权利要求1所述的高分子催化剂在不同偶联情况（C-C、C-N）下的应用。
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