[doc] 水对苯硼酸参与的偶联反应的促进作用

[doc] 水对苯硼酸参与的偶联反应的促进作用 水对苯硼酸参与的偶联反应的促进作用 第25卷第8期 2008年8月 应用化学 CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRY Vol_25No.8 Aug.2008 水对苯硼酸参与的偶联反应的促进作用 辛炳炜 (德州学院化学系德州253023) 摘要研究了水对离子液体或聚乙二醇中Pd(OAc),催化的卤代苯或苯甲酰氯与苯硼酸的SuzukJi和 Suzuki—Type偶联反应收率的影响.当其它条件不变时,水能极大提高在离子液体和PEG中偶联反应的 收率.并且对于Suzuki反应和Suzuki-Type反应,水与IL和PEG的最佳质量比不同.对于Suzuki反应, [bmim][P]:H,O的最佳质量比为3:1(收率为99%),而当离子液体为[bmim][BF4]时,与HO的最佳比 例为3:3(93%).当[bmim][PF]:H,0和PEG2000:H,0的质量比分别为3:2.5和3:3时,Suzuki—Type反应 活性最高,收率可分别达82%和94%.同时还讨论了水促进偶联反应的可能机理. 关键词水,离子液体,PEG,苯硼酸,Suzuki偶联反应,Suzuki—Type偶联反应 中图分类号:0623.6文献标识码:A文章编号:1000-0518(2008)08-0895-04 水作为有机反应介质或助剂是当前化学领域研究的热点和前沿.],可以促进有机溶剂,离子液体 [IonicLiquids(ILs)]或聚乙二醇[PolyethyleneGlycol(PEG)]等介质中的有机反应].这些成果有些 已成功应用于工业生产中.苯硼酸由于具有低毒,稳定性好以及所产生的副产物容易从目标产物中分 离等特点,是近年比较活跃的金属有机试剂.其中苯硼酸与卤代苯之间的Suzuki和与羧酸衍生物之间 的Suzuki—Type偶联反应是苯硼酸的2种重要反应.在过渡金属催化的C—C偶联反应中占有重要地位, 广泛应用于合成天然产物,药物中间体以及功能材料.目前.Suzuki反应已经成功地在有机溶剂,水』, 离子液体引,PEG_9等介质中进行.本课题组曾研究了在Pd(OAc),.ILs—H,O[10],Pd(OAc),一PEG— H:O_l和PdC1一HO.SDS_l体系中苯硼酸参与的Suzuki和Suzuki—Type反应,发现水能有效地促进离子 液体和PEG中Suzuki和Suzuki.Type反应.本文研究了水对该类反应的促进作用.并对促进作用的可能 机理进行了讨论. 1实验部分 1.1试剂和仪器 薄层层析用(TLC)硅胶GF254薄板,柱层析用硅胶H装柱(青岛海洋化工厂).乙酸乙酯,石油醚 为工业级溶剂,用前蒸馏处理.?.甲基咪唑为工业级;苯硼酸,苯甲酰氯,对甲基溴苯均为分析纯试剂, 离子液体按文献[13]方法自制. 1.2Suzuki和Suzuki-type反应 对Suzuki反应是将 0.212g(2mmo1)Na:c03,4mg(0.018mmo1)Pd(0Ac):,3g[bmim][PF6]和 1gHzO(若在Pd(OAc)2-[bmim][BF]一H:O体系中,[bmim][BF]与H:O的质量比为3:3)加到圆底 烧瓶中,将混合物加热至100?.将0.170g(1.0mmo1)4一甲基溴苯和0.183g(1.5mm01)苯硼酸加到 以上体系中,在100?反应30min.反应完成后,将反应体系冷却到室温.反复用无水乙醚提取直到没 有荧光物质为止.将无水乙醚旋干,过柱分离,得分离产物对甲基联苯0.166g,收率为99%,(在 Pd(OAc)2一[bmim][BF]一H:O体系中,得产物0.156g,收率为93%). 萃取后的Pd(OAc):一[bmim][PF]一H:O体系用水洗涤,除去反应过程中产生的盐,可循环使用. 对于Pd(OAc):一[bmim][PF6]一H:O体系中的Suzuki—Type反应是将0.170g(1.6mmo1)Na,CO, 1rag(0.005mmo1)Pd(OAc)2,3.0g[bmim][PF]和2.5gHO的混合物加热至60?后,再加入 2007-08-09收稿,2007—10—10修回 国家自然科学基金资助项目(20571063) 通讯联系人:辛炳炜,女,博士,副教授;E-mail:bingweixin2@163.Corn; 研究方向:绿色有机合成和金属有机催化 , 896应用化学第25卷 OH140g(1.0mmo1)苯甲酰氯和0.146g(1.2mmo1)苯硼酸,在60?反应1h.反应完成后,按上述同样 方法处理得分离产物二苯甲酮0.149g,收率为82%. 萃取后的Pd(OAe).[bmim][PF].H0体系用水除去反应生成的盐后,可循环使用. 对于Pd(0Ac),.PEG.H0体系中的Suzuki.Type反应是将0.170g(16mmo])Na2CO3,0.5mg (0.002mm01)Pd(OAc),,3gPEG和3gH0的混合物加热至60?,加入0.140g(1.0mmo1)苯甲酰氯 和0.146g(1.2mm01)苯硼酸,在60?反应1h,冷却到室温.按上述同样方法处理得产物二苯甲酮 0.158g.收率为94%. 2结果与讨论 2.1水对在IL介质中卤代苯与苯硼酸Suzuki偶联反应的影响 以对甲基溴苯与苯硼酸的偶联反应为例,设定:4.CHPhBr(1.0mmo]),PhB(OH):(1.5mmo]), Na,CO(2.0mmo]),Pd(OAc),(0.O18mmo]),离子 液体[bmim][PF]和[bmim][BF]的量分别固定 为3.0g.在100?反应30rain,考察产物的收率,结 果见图l.图中可见,当以纯离子液体为反应介质 时,偶联产率很低.当在[bmim][PF]中加入微量 水时,反应产率即迅速提高;当加入水的量由0.25g 增至1.0g时,产率可由88%升高到99%.但是当 水的量超过2.0g后,产率开始下降.而在[bmim] [BF]中,随水量从0增至3.0g,偶联反应产率由 约5%逐渐升至93%.随后迅速下降.这表明水可 以有效地促进[bmim][PF]和[bmim][BF]中 Pd(OAc),催化的对甲基溴苯与苯硼酸的Suzuki反 应.当以Pd(OAc)为催化剂,NaCO为缚酸剂, Wateradded/g 图1离子液体中水的量对反应产率的影响 Fig.1Effectoftheratiobetweenwater andILonthereaction [bmim][PF].H,0与[bmim][BF].H,0的质量比分别为3:1和3:3时,水与离子液体的比例对反 应转化率为最佳,表明水在不同的离子液体中对反应的影响有所不同. o.o18mmolPd(OAe),/=\ 叫一 一 +B(oI~)2叫一一 与单纯用H,0或IL为反应介质相比.IL.H,0体系更有利于催化剂的循环使用,因为j在[bmim] [PF].H0体系中催化剂可以循环使用7次,平均产率仍保持在90%以上. 2.2水对在几介质中苯甲酰氯与苯硼酸Suzuki.Type偶联反应的影响 钯催化的苯硼酸与羧酸衍生物之间的偶联反应(Suzuki.Type反应)是合成芳香酮化合物的有效手 段之一,反应机理与Suzuki反应相似_I.目前,该类反应主要在有机溶剂中进行,反应条件苛刻,并且 催化剂需要膦配体配合物,对环境造成一定的影响,而且催化体系不能循环使用.为了进一步研究水对 苯硼酸参与偶联反应的促进作用,在以上IL.H,0体系中,研究了苯甲 酰氯和苯硼酸的Suzuki.Type偶联 0 c ,==/ 表1水对离子液体中Suzuki-Type反应的影响 Table1EffectofwaterollSuzuki-TypereactioninILs 0.005mmolPd(OAe)2, Na2CO3,[brain][PF6](3g),60?,1h 0 Ent? Wateradded/g Isolatedyiel(L/% 8 3.5 67 9 4.0 63 1O 5.O 57 11 2.5 97 口.Reactioneonditlons:PhCOCl(1.0mind),PhB(0H)2(1.2mmo1),Na2CO3( 1.6retoo1),Pd(OAe)2(O.005mmo1),[bmlm?PF6] (3g),t:60?,Time=1h;6.(Pd(OAe)2):0.9%,Time:2h. 如 6&: 5舳 加 3 ? 弘 1OO 第8期辛炳炜:水对苯硼酸参与的偶联反应的促进作用 反应.对于 PhCOC1(1.0mmo1),PhB(OH)(1.2mmo1),NaCO(1.6mmo1),Pd(OAc)(0.0 05mmo]), [bmim][P](3g)反应体系,在60?反应1h时,加入H0的量对实验结果 的影响列于表1.从表中 结果可以看出,以纯[bmim][P]为溶剂时,基本不能发生偶联反应.随 着水量增加,目标产物二苯甲 酮收率逐渐升高.当加入2gH,0时,产物分离产率可达80%,加入2.5gH0时产率为82%.但继续 增加水量,产率反而下降.因此,[bmim][PF6]和HO的最佳质量比为3:2.5,这说明水也可以有效促 进IL中Pd(OAc),催化的Suzuki_Type反应,并且H,O与IL的质量比对产率影响较大.该体系催化剂 可以循环使用8次,催化活性无明显降低. 2.3水对在PEG介质中苯甲酰氯与苯硼酸Suzuki-Type偶联反应的影响 因PEG可以明显降低水溶液的极性,提高有机分子在水中的溶解度,即起溶剂作用又可起到相转 移催化剂(PTC)作用,为此,本文进一步研究了水对PEG代替IL的Pd(OAc)催化的苯甲酰氯和苯硼 酸偶联反应的影响.反应条件与以上离子液体体系类似,但Pd(OAc)的量降为0.002mmo].表2的结 果表明.在纯PEG中,产物收率很低,随着水量增加产率逐渐升高.当PEG和HO的质量比为3:3时, 产物的分离率达94%.但继续增加水的量,产率呈缓慢降低趋势.表明水可以有效地促进PEG中 Pd(OAc),催化的Suzuki—Type反应.并且水与PEG的质量比同样对反应收率影响很大.尽管该体系催 化剂只能循环使用3次,但催化效率比IL—H,O体系好,并且PEG价 格便宜,容易生物降解;用于Suzuki 和Suzuki—Type反应体系有其优点. 表2水对PEG中Suzuki-Type反应的影响 Table2EffectofwateronSuzuki-TypereactioninPEG Entrym(PEG):m(H2O)Time/hIsolatedyield/%Entrytrt(PEG):m(H2O)Ti me/hIsolatedyield/% 16:012063:5.0182 23:2.518973:3197b 33:319480:6156 43:3.519O93:3299 53:4.0187 a-Reactionconditions:PhCOCI(1.0mmo1),PhB(OH)2(1.2mmo1),Na2C O3(1.6mmo1),Pd(OAc)2(0.O02mmo1),t=60;b.t= 80. 2.4水的促进作用机理讨论 因为所有的Pd(II)催化的偶联反应均存在如何将Pd(II)还原为Pd(0) 的问题,在Pd(OAc),一 IL—HO和Pd(OAc)一PEG—H2O体系中,苯硼酸,IL和PEG均可将 Pd(?)还原为Pd(0). Moreno—Manas等l报道Pd(OAc)或PdCI可以与咪唑盐分子形成 Scheme1中A的结构,结构 (A)产生纳米钯颗粒,因此本文中的离子液体同样能将Pd(II)还原为Pd(0). M Bre / MeMe , (Pd一 \Me Scheme1Generationofpalladiumnanoparticlesinthepresenceofimidazoliu msalt 而在Pa(OAc)一HO-PEG体系中,PEG不仅可将Pd(?)还原为Pd(0)(Scheme2),还可作为 Pd(0)纳米粒子的稳定剂. no 寸\.,}.H+Pc)1H.t\v一一.,{,\\cH.+Pa. Scheme2GenerationofpalladiumnanoparticlesinthepresenceofPEG 但在纯IL和PEG中形成的Pd(0)颗粒会被IL或PEG包裹住而无法与底物接触],因而影响反 898应用化学第25卷 应,只有加入水后才会释放出活性催化剂,促使催化反应进行.另外, 水还能促进苯硼酸形成电子密度 更高的活性中间体PhB(OH)3一进行偶联反应. 14 15 16 17 参考文献 LindstmUM.ChemRev[J],2002,102:2751 SiskinM,KatritzkyAR.ChemRev[J],2001,101:825 AkivaN,SavagePE.ChemRev[J],2002,102:2725 EarleAJMJ.HolbreyJD,McCormacPB,SeddonKR.OrgLett[J],1999,1:997 LiuL,ZhangY,WangY.JOrgChem[J],2005,70:6122 LeadbeaterNE.ChemCommun『J],2005:2881 WehonT.ChemRev[J],1999,99:2071 vschuckeCC,MarkertC,BannwarthW,RollerS,HebelA,HaagR.AngewChemIntEd[J],2002,41:3964 TzasudevanVN,RajendraSV.GreenChem[J],2001,3:146 XinBW,ZhangYH,LiuLF,WangYG.SynthLett[J],2005:3083 XinBW,ZhangYH,ChengK.JOrgChem[J],2006,71:5725 XinBW,ZhangYH,ChengK.Synthesis[J],2007:1970 ChowdhuryPK.HalderM,SandersL,CalhounT,AndersonJL,ArmstrongD W,SongX,PetrichJW.JPhysChemB 『J],2004,108(29):10245 ZapfA.AngewChem,IntEd[J],2003,42:5394 Moreno-ManasM.P1eixatsR.AccChemRes[J],2003,36:638 LuoCC,ZhangYH,WangYG.JMolCatalA[J],2005,229:7 BedfordRB.B1akeME,ButtsCP,HolderD.ChemCommun[Ji,2003:466 EffectofWateronArylboronicAcidMediated Cross—CouplingReaction XINBing—Wei (DepartmentofChemistry,DezhouCollege,Dezhou253023) AbstractWestudiedtheeffectofwateronthepalladiumacetate—catalyzedco uplingreactionofarylboronic acidwitharylbromideoracylchlorideinionicliquidorPEG,andfoundthatwaterhadaremarkablerate acceleratingeffectontheSuzukireactionandSuzuki—Typereactionwhenot herreactionconditionswere uniform.TheratioofwatertoILorPEGwaspivotaltothereaction,andtheoptimalratioofwate~’toILor PEGwasdifferenttotheSuzukiandSuzuki.Typereactions.Whentheratioof[bmim1fPF6]andwaterwas 3:1,thebestyieldof99%ofSuzukireactionwasachieved,whiletheoptimalratioof[bmim][BF4]towater was3:3(93%).TheSuzuki—Typereactiondeliveredthegoodyieldof82%inthe[bmim][PF6卜H2Osystem whenthemassratioof[bmim][PF6]towaterwas3:2.5,whileinthePEG—H2 Osystem,theoptimalratioof PEGtowaterwas3:3(yieldwas94%).Thepossiblemechanismofwaterinfluenceonthecross--coupling reactionwasdiscussed. Keywordswater,ionicliquids(ILs),polyethyleneglycol(PEG),arylboronicacid,Suzukireaction,Suzuki— Typereaction 1234567890123