乙二醇中钯催化无配体的室温Suzuki反应

2011Chinese Journal of catalysisVol 32 No. 7文章编号:0253-9837(2011)07-1204-04DoI:10.3724SPJ.1088.2011.10225研究论文:1204120乙二醇中钯催化无配体的室温 Suzuki反应刘春,韩娜,袁浩,何晓字,金子林大连理工大学精细化工国家重点实验室,辽宁大连116024摘要:报道了一种在室温下醋酸钯催化乙二醇中无外加配体的 Suzuk反应体系.以K3PO47H2O为碱,在该体系中可高效进行芳基溴代物和芳基硼酸的 Suzuki交叉偶联反应,具有反应条件温和、无需惰性气体保护等特点.在n(ABr)=0.5mmoln(ArB(OH2)=075mmol,x(Pd(OAc)=0.5mol%,n(KPO47H2O)=1.0mmol,v乙二醇)=2ml的优化条件下,4-溴苯甲醚和苯硼酸反应20min,分离收率即达95%关鍵词: Suzuki反应;钯;无配体;乙二醇;室温中图分类号:0643文献标识码:A收稿日期:2011-0220.接受日期:201103-16.通讯联系人.电话传真:(041184986182;电子信箱:ciu@dlut.edu.cn基金来源:国家自然科学基金(21076034,20976024,20923006);中央高校基本科研业务费专项资金( DUTIILKI5)Pd(oAc)2-Catalyzed Ligand-Free Suzuki Reaction in Ethylene Glycolt room TemperatureLIU Chun, HAN Na, YUAN Hao, HE Xiaoyu, JiN ZilinState Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, ChinaAbstract: An aerobic and efficient protocol has been developed for the pd(OAch-catalyzed ligand-free Suzuki reaction of aryl bromideswith aryl boronic acids in ethylene glycol at room temperature, affording cross-coupling products in good to excellent yields. Under the op-ized reaction conditions (i.e, 0.5 mmol ArBr, 0.75 mmol ArB(OH), 0.5 mol% Pd(OAch, 1.0 mmol K,PO4 7H20, and 2 ml ethyleneglycol), the Suzuki reaction between 4-bromoanisole and phenylboronic acid provided a 95% isolated yield in 20 minKey words: Suzuki reaction; palladium; ligand-free; ethylene glycol; room temperatureReceived 20 February 2011. Accepted 16 March 2011.*Correspondingauthor.Tel/Fax+86-411-84986182:E-mail:cliu@dut.edu.cnThis work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21076034, 20976024, 20923006) and the FundamentalResearch Funds for the Central Universities(DUTIILK15)Suz山k交又偶联反应是现代有机合成中构建体等但大多数配体存在合成困难,成本较高,且CC键最为有效的方法之一-.它具有反应条件温和、有机硼试剂低毒和稳定性好、底物适用范围广ArAreductivePd(0)dativ等优点,已广泛应用于天然产物、医药、农药、除草eliminationaddition剂、高分子传导材料和液晶材料等的合成67.目前ArPd(Ⅱ} Ar Ar-Pd(l)X公认的 Suzuk反应机理分为三个步骤,依次为氧化加成、金属转移化和还原消除(见图式1),其中氧XB(OH Ar'B(OH)化加成为反应决速步骤图式1钯催化的Suuk反应机理该反应通常需要添加膦配体或M杂环卡宾配Scheme 1. Mechanism of palladium-catalyzed Suzuki reaction.www.chxb.cn刘春等:乙二醇中钯催化无配体的室温 Suzuki反应1205对水和氧敏感,反应过程中需要溶剂除水和惰性气表1催化剂前体对4溴苯甲醚与苯硼酸S以四k反应的影体保护等措施等问题,因而限制了它的应用.Pd催化无配体的反应体系因具有操作简单和成本低等优点Table 1 Effect of precatalysts on the Suzuki reaction of4-bromoanisole and phenylboronic acid而备受关注1.目前,有机溶剂作为反应介质已广Meo泛应用于无配体的Suuk反应Deng等以乙醇为溶剂,与PdOA)2NaoH3组成催化体系考察了芳Isolated yield (%基溴代物和芳基碘代物的 Suzuk反应Yin等18报PCh210% Pd/Ctrace道了在分子量为300的聚乙二醇中,以PCl2为催化Pd,(dba剂的高效催化芳基氯代物与芳基硼酸的无配体Su- Reaction conditions:4 bromozuki反应0.75 mmol, Pd 0.5 mol%, K, PO. 7Hyo 1.0 mmol, ethylene glycol 2 mL,最近,本课题组报道了一个甲苯中醋酸钯催化25. C, 20 min, in air. The reactions were monitored by thin layerchromatography.无配体的 Suzuki反应体系,以K3PO47H2O为碱,在空气中即可高效催化芳基溴代物和芳基硼酸的Su-22碱对 Suzuki反应的影响zuk反应19.因此,发展新型钯催化无外加配体的表2为碱对4-溴苯甲醚与苯硼酸的 Suzuki反Suuk反应体系仍具有学术意义和应用价值应的影响.由表可见,在本文考察的碱中,以本文报道一种在乙二醇中Pd(OAc)2催化无配K3PO47H2O的促进效果最强,反应20min,产物分体的 Suzuki反应体系,在该体系中,芳基溴代物和离收率达95%;其次是K2CO3,反应60min,产物分芳基硼酸的 Suzuki交叉偶联反应可在室温及空气离收率达88%.另外,相对于钾盐,以CH3ONa和条件下快速高效地进行,并发现乙二醇中羟基能促NaOH为碱,反应20min,产物收率较低.由此可见,进 Suzuki反应钾盐好于钠盐,这可能是由于具有较大离子半径的钾离子在金属交换过程中起到模板作用,因而促进1实验部分了该步骤的进行20于二口瓶中,依次加入溴代芳烃(0.5mmol)、芳表2碱对4溴苯甲醚与苯硼酸 Suzuki反应的影响基硼酸(0.75mmol)、碱(1.0mo)、Pd催化剂(0.5 Table2 Effect of bases on the Suzuki reaction of4 bromoanisole andmol%, Pd(oAc)2和PdCl2购自 Alfa Aesar公司ronIc aPd2(dba)3购自Acos公司,PdC购自 Fluka公司)和Time(min) lsolated yield (%K,PO.7HO乙二醇(2ml),在25°C进行反应.反应结束后,加co6088入15m饱和NaCl溶液淬灭,并用乙醚萃取4次, CHIONE每次15ml偶联产物经柱层析提纯.所有产物的结NaOHReaction conditions: 4-bromoanisole 0.5 mmol, phenylboronic acid构均由H核磁共振谱确证0.75 mmol, Pd(OAch05 mol%, base 1.0 mmol, ethylene glycol 2 ml,25C, in air. The reactions were monitored by thin layer chromatogra2结果与讨论21催化剂前体对 Suzuki反应的影响23溶剂对 Suzuki反应的影响以4溴苯甲醚与苯硼酸的偶联为模型反应,考图式2为溶剂对4溴苯甲醚与苯硼酸 Suzuki察不同催化剂前体对 Suzuki反应的影响,结果见表反应的影响.可以看出,溶剂分子中羟基对 Suzuki1.由表可见,以Pd(OAc)2为催化剂前体时反应效反应活性有重要影响.当以甲氧基取代乙二醇中果最好,反应20min后,4甲氧基联苯的分离收率个羟基时反应活性明显下降,反应20min,分离收率可达95%.其次是PdCl,反应20min后,分离收率仅为34%;以甲氧基取代乙二醇中两个羟基时,反为51%;而零价Pd源10%PdC或Pd(dba)的催应20min后得到痕量产物.由此可见,乙二醇在反化活性明显很低,产物均为痕量.因此,以下实验均应中不仅起到溶剂的作用,还能促进 Suzuki反应的以Pd(OAc)2为 Suzuk反应的催化剂前体进行催化学报Chin.J. Catal,2011,32:1204-1207min,分离收率达到96%(实验5).另外,芳基硼酸上MeoPd(oAch. PhB(OH)solvent. 20 min取代基的电子效应影响不明显.例如芳基硼酸上的HaCOtrace给电子基(如甲基)并没有明显加快反应速率:2-溴OCH3苯甲醚与苯硼酸或4甲基苯硼酸分别反应25或2095%min,分离收率都为95%(实验2和19).再如有吸电图式2溶剂对4溴苯甲醚与苯硼酸 Suzuk反应的影响子基(如氟)的芳基硼酸反应活性也没有明显降低Scheme 2. Theon the Suzuki reaction of4-溴苯甲醚与苯硼酸或4氟苯硼酸分别反应20或4-bromoanisole with phenylboronic acid.25min,分离收率分别为95%和91%(实验1和8);2-溴苯甲醚与苯硼酸或4氟苯硼酸分别反应2524乙二醇中醋酸钯催化无外加配体 Suzuki反应m,分离收率都为95%(实验2和17的底物普适性还可以看出,该体系中芳基溴代物上相同取代在上述优化的反应条件下,考察了含不同取代基在邻位或对位时对反应效果的影响不大,即位阻基的溴代芳烃与芳基硼酸的Suzk反应,结果见表效应不明显.例如,4溴苯甲醚或2溴苯甲醚与苯3.由表可见,含吸电子基芳基卤代物的反应活性反硼酸分别反应20或25mi,分离收率都为95%(实而不如含给电子基芳基卤代物的例如4硝基溴苯验1和2);4溴苯腈或2-溴苯腈与苯硼酸分别反应与苯硎酸反应120min,分离收率为7%(实验7);90min,分离收率分别为93%和95%(实验3和4)4溴苯乙酮与4甲基苯硼酸反应90mm,分离收率带有邻位取代基的苯硼酸受空间位阻的影响,反应为95%(实验13);而4甲基溴苯与苯硼酸反应60速率下降,适当延长反应时间仍可得到较高的收率例如,2-甲基苯硼酸与4-溴苯甲醚或4-甲基溴苯分表3溴代芳烃和芳基硼酸的 Suzuki反应Table 3 The Suzuki reaction of aryl bromides with aryl boronic别反应120min,分离收率分别为80%和75%(实验9和15)分m,80分,3结论E发展了一种以乙二醇为溶剂,醋酸钯为催化剂的无外加配体的 Suzuki反应体系.该体系可在室温2-OMe25及空气条件下高效催化含不同取代基的溴代芳烃与4-CN2-CNHHHHH芳基硼酸的 Suzuki反应.结果表明,溴代芳烃取代4-Me基的电子效应和空间效应对反应活性的影响不大H而邻位取代的芳基硼酸的反应活性明显低于对位取H代的芳基硼酸.另外,乙二醇在反应中不仅起到溶4-OMe4-OMe2-Me剂的作用,还能促进 Suzuki反应.该体系溶剂作用25901234567894-OMe3-Me%87989%4机理的研究正在进行4-COCH3参考文献4-C0CI4-MeI Miyaura N, Yamada K, Suzuki A. Tetrahedron Lett, 19792-Me36:34374-Me2 Miyaura N, Suzuki A Chem Rev, 1995, 95: 24572-OMe3 Li C J Angew Chem, int Ed, 2003, 42: 48562-OMe2-Me4黄钟斌,严新焕,江玲超,蒋虹.催化学报( Huang Zh B,4-MeYan X H, Jiang L Ch, Jiang H. Chin J Catan), 2010, 31: 90Reaction conditions; aryl bromides05mmol, aryl boronic acids0.755刘春,倪祁健,胡萍萍,袁浩,金子林.催化学报(Liummol, Pd(OAch05 mol%, K, PO. 7H20 1.0 mmol, ethylene glycol 2Ch, NiQ J, Hu P P, Yuan H, Jin Z L. Chin J Catan, 2010ml, 25C, in air. The reactions were monitored by thin layer chroma.31:12776 Littke A F, Fu G C Angew Chem, Int Ed, 2002, 41: 4176www.chxb.cn刘春等:乙二醇中钯催化无配体的室温 Suzuk反应12077 Farina V. Adv Synth Catal, 2004, 346: 1553Kitade Y, Sajiki H. Adv Synth Catal, 2010, 352: 7188 Suzuki A J Organomet Chem, 1999, 576: 14714 Han W, Liu C, Jin Z L Ong Letf, 2007, 9: 40059 Billingsley K, Buchwald S L. J Am Chem Soc, 2007, 129: 15 Han W, Liu C, Jin Z L. Adv Synth Catal, 2008, 350: 50116 Liu C, Yang W B Chem Commun, 2009: 626710 Roy S, Plenio H. Adv Synth Catal, 2010, 352: 101417 Deng C L, Guo S M, Xie Y X, Li J H. Eur J Ong Chem,1周浩,卓广澜,姜玄珍,张波,葛忠华.催化学报( Zhou h2007:1457Zhuo G L, Jiang X Zh, Zhang B, Ge Zh H. Chin J Cata), 18 Yin L, Zhang Z H, Wang Y M. Tetrahedron, 2006, 62: 93592006,27:33519刘宁,刘春,金子林.催化学报LiuN, Liu ch, Jin Z L.12 Zhou w J, Wang K H, Wang J X, Gao Z R. Tetrahedron,Chin Catan, 2010, 31: 13162010.66:763320 Zhang H C, Kwong F Y, Tian Y, Chan K S J Org Chem,13 Kitamura Y, Sako S, Tsutsui A, Monguchi Y, Maegawa T,1998,63:6886《催化反应工程基础》陈诵英编著ISBN978-7-122-10297-3定价68.00元化学工业出版社2011年5月出版速率的实验室催化反应器和实验测量方法,实验数据的处理加工以及速率方程的建立和速率参数的计算等内容化催化反应工程基础第3章介绍催化反应过程中的传递现象,包括多相催化传递过程基本规律传递参数的实验测量方法和理论估算方法,相间传质和传热的经验关联,催化过程中传递和动力学过程的相互作用,催化剂效率因子计算和三相催化过程动力学分析等内容第4章重点介绍等温理想反应器设计的思路和方法并辅以多个具体例子来说明催化反应器设计中可能遇到的问题,以及设计所需要的数值计算方法《催化反应工程基础》( Fundamentals of catalytic第5章介绍非等温反应器设计思路和方法重点介绍Reaction Engineering)详细了介绍催化反应工程的基础知如何将能量平衡结合到设计方程中以及非等温反应器所识介绍了催化反应工程发展的新趋势以及催化反应器设遇到的一些特别问题也辅以说明性和实际应用的催化反计的基本思路和方法,即如何组合这些基础知识建立设计应器设计例子,同时简要介绍催化反应器非理想性的表述方程以计算达到所希望生产能力的催化剂体积或质量以和校正及反应器体积.为了使读者容易理解和掌握,书中给出了本书可以作为高等学校化学和化工及相关专业的高大量的例子年级本科生、研究生和教师的重要参考书,也是在相关企全书共分为5章.第1章绪论,强调催化反应工程是业从事工业催化反应过程研究开发和设计的科技人员和节能和提高效率即实现低碳经济的重要手段和工具操作管理人员的重要参考书第2章介绍催化反应速率方程的建立,测量催化反应化学工业出版社)