Pd催化交叉偶联反应研究进展

熊兴泉

(华侨大学材料科学与工程学院,福建泉州 362021)

Pd催化交叉偶联反应研究进展

熊兴泉

(华侨大学材料科学与工程学院,福建泉州 362021)

综述以 Heck反应、Negishi反应和Suzuki反应为主导的Pd催化交叉偶联技术,着重阐述以磁性纳米粒子(MNPs)、高分子为载体的负载型Pd催化剂的研究进展及其在有机化学中的应用.

Pd催化剂;交叉偶联反应;Heck反应;Negishi反应;Suzuki反应

目前,Pd催化交叉偶联反应主要包括卤代芳香烃与烯烃之间的 Heck反应[1-4]、与有机锌试剂之间的Negishi反应[5-6],以及与有机硼酸之间的Suzuki反应[7-9].由于有着反应选择性好、催化效率高、反应条件温和及反应原料来源丰富等优点,该类型的反应已经成为有机合成化学和催化化学领域研究的热点,在天然产物、高分子材料、功能材料和液晶材料的合成及医药生产中得到广泛应用[10-11].就催化机理而言,Pd催化交叉偶联反应有3个相似的历程:(1)氧化加成,即Pd催化剂氧化插入卤代物形成中间体R2-Pd(Ⅱ)-X;(2)金属转移.即过渡金属化产生R1-Pd(Ⅱ)-R2中间体;(3)还原消除,即生成偶联产物R1-R2,同时Pd催化剂重新进入催化循环.Pd催化交叉偶联反应是以贵金属Pd作催化剂的,但由于Pd有毒且在使用过程中易析出极细的Pd粉,不仅使催化剂的使用寿命短、实用性差,也使产物的纯化困难.因此,如何提高催化剂的使用寿命成为降低反应成本一个非常关键的因素.

1 磁性纳米粒子负载Pd催化剂

磁性纳米粒子(MNPs)由于制备方法多样,工艺相对容易控制,具有结构和功能的可调控性,以及其在磁性、催化等多方面的良好特性,日渐成为研究热点.将MNPs作为Pd催化剂的载体,可以使催化剂易从反应体系中分离和回收.

文献[12]利用叠氮与炔基之间的“点击”反应,将外围为叠氮功能化的MNPs与炔基功能化的二吡啶基甲醇连接起来;然后,利用吡啶与Pd之间的配位作用,制备出负载Pd催化剂的MNPs,并利用红外光谱(IR)和透射电子显微镜(TEM)等手段对其进行表征.磁性纳米粒子负载Pd催化剂能很好地催化芳基硼酸与芳基溴之间的Suzuki反应,合成含有取代基的联苯型芳香化合物的产率为85%～99%.实验表明,该类催化剂在外加磁场作用下容易回收,并具有较好的重复使用性能.

2009年,韩国仁荷大学的 Taher等[13]分别将含有咪唑基团的三甲氧基硅烷及氮杂Pd卡宾键合到外围为羟基功能化的MNPs上,制备出具有磁性的氮杂Pd卡宾纳米粒子.同时,在以水作溶剂的反应体系中,将该催化剂用于催化芳基硼酸与芳基溴之间的Suzuki反应,以92%～98%的高产率合成联苯型芳香化合物.实验表明,该类催化剂表现出优良的催化性能及较高的稳定性能,且连续使用5次后,仍显示出好的催化特性(Suzuki反应产率仍能维持在93%).

2 高分子负载Pd催化剂

高分子载体材料可以分为天然高分子载体和合成高分子载体.一般而言,作为高分子载体应该具有以下3个特点:(1)容易进行化学修饰,即一般可以利用功能性单体进行聚合或在聚合完成后再进行功能化,使-OH,-NH2或 -COOH功能化的高分子载体能与Pd催化剂的配体(如三芳基膦)结合;(2)较大的比表面积,即可提高Pd催化剂的分散度,从而可提高催化剂的催化效率;(3)具有一定的强度及较好的化学稳定性,可达到延长催化剂使用寿命并使其易于分离和回收的目的.

2.1 天然高分子载体

天然高分子材料,例如淀粉、田菁胶、壳聚糖等,由于原料价廉易得,表面官能团丰富(分子中含有大量羟基或氨基),是负载Pd的理想载体材料.2004年,Hdary等[14]以天然高分子壳聚糖为载体,制备出壳聚糖Pd配合物催化剂,并成功将该催化剂用于Sukuzi和 Heck偶联反应中.实验表明,该催化剂催化取代型卤代芳烃与苯硼酸之间的Suzuki反应效果很好,短时间就可以获得较高的产率.特别对于有供电子基团(如-OMe)的底物,其产率会更高一些;含吸电子基团(如-NO2或-CN)的产率很低,并且催化剂会分解成黑色固体.

溴代和碘代芳烃均有明显活性,但氯代苯在反应18 h后产率仅为3%,基本无活性.催化剂用极性溶剂,如甲醇洗涤后可以重复使用.将此催化剂用于碘代苯和丙烯酸正丁酯、苯乙烯等的 Heck反应中,催化活性也很高,分别以87%和88%的产率合成出肉桂酸丁酯和反式的1,2-二苯乙烯.

Calo等[15]也以壳聚糖为原料制备出壳聚糖负载的纳米Pd催化剂,并在离子液体中系统研究该催化剂对卤代苯与丙烯酸正丁酯之间 Heck反应的催化性能.结果表明,当以四丁基溴化铵为溶剂、四丁基乙酸铵为碱时,该催化剂的活性较高.在130℃条件下反应15 min,溴代苯生成酯的产率高达98%;而在100℃下,仅反应5 m in,碘代苯的产率也达95%,并且在该条件下重复使用10次以上,催化剂仍能保持明显的催化活性.

2.2 合成高分子载体

合成高分子载体一般分为可溶性高分子载体与不溶性高分子载体.研究表明,不溶性高分子载体存在负载量低、传质困难、催化活性中心与底物接触几率小等缺陷;而可溶性高分子载体可克服以上不溶性高分子载体的缺点.通过将催化剂负载在可溶性载体上可以实现“均相反应,两相分离”的目的.目前,常见的合成高分子载体材料主要有聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚苯乙烯-聚乙二醇接枝共聚物、聚醚型树状分子等聚合物材料.

Seokin等[16]通过二酐单体与含Pd的二胺单体之间的缩聚反应,合成了一种新型的含 Pd的聚酰亚胺催化剂.在极性溶剂中,以Cs2CO3做缚酸剂,可以高效催化苯乙烯与卤代芳烃的Heck反应.实验表明,在80℃条件下反应2 h,碘代苯与苯乙烯反应产率可达93%.在相似条件下,该催化剂也能高效催化卤代苯与苯硼酸之间的Suzuki反应,反应2 h后的Suzuki反应产率也可达93%.研究表明,该类催化剂能有效克服有机膦,特别是富电子的苯基膦导致的在大规模制备中存在的高价格、低反应速率及空气敏感等缺陷.

Dahan等[17]以羟基功能化的聚苯乙烯树脂为原料,将其与羧酸功能化的苯基膦进行缩合反应,合成了不同代数且固定于聚苯乙烯树脂上的树枝状载体负载Pd催化剂.将其用于溴代苯和丙烯酸正丁酯、苯乙烯等的Heck反应中,表现出良好的催化活性.研究表明,树状分子代数越高,对Heck反应的催化活性和选择性越高,代数增加一代,可以使其中一些反应产率增加5倍.

3 Pd催化交叉偶联反应在有机合成中的应用

Pd催化交叉偶联反应已经被广泛应用于许多物质,特别是一些抗癌药物及抗炎症药物的合成研究和工业化生产[18-20].在天然产物合成方面,分子间或分子内的Pd催化交叉偶联反应被用作合成中的关键步骤.值得一提的是,1996年,Danishefsky等[21]成功地将 Heck反应应用在紫杉醇全合成的关键步骤中,并取得良好的效果.另外,Heck反应也被成功应用于另一新的绿色抗肿瘤药物——白藜芦醇的全合成中.Guiso等[22]以Pd(OAc)2作催化剂,以3,5-二乙酰酯基取代的苯乙烯与对乙酰基碘苯进行Heck反应,以70%的收率制备出全乙酰化白藜芦醇,最后几乎以定量的产率去掉乙酰基后得到白藜芦醇.Andrus等[23]用3,5-二羟基苯甲酸为起始原料进行4步反应,以52%的总产率合成出白藜芦醇,其中Heck反应一步收率可达73%.

M enche等[24]在H2O与M eCN的混合体系中,以三乙胺做缚酸剂,二(三苯基膦)二氯化Pd作为催化剂,催化烯基碘化物与乙烯衍生物之间的Heck反应,合成具有抑制癌细胞生长活性的药物活性分子A rchazolid A.结果表明,该反应以55%的收率合成出关键中间体,并有较好的选择性(E/Z=6∶1).

Negishi反应也被成功应用于药物及天然产物的合成中.Chacko等[25]以二(三叔丁基膦)Pd作催化剂,以碘代核苷衍生物及多种有机锌试剂进行Negishi反应,以34%～65%的收率制备出一系列具有生物活性和药物活性的5-氟烷基嘧啶核苷衍生物.另外,Negishi等[26]利用两步Negishi反应成功合成出β-胡萝卜素和其相关衍生物.Negishi反应也可以方便地合成一些具有药物活性的海洋天然产物,如Discodermolide,Nakienone A的关键结构片段[27-28].

与金属有机化合物相比,芳基硼酸对热、空气、水不敏感,具有廉价、低毒等优点.因此,苯硼酸与芳基溴代物之间的Suzuki反应也成为合成具有生物活性天然产物的常用方法.例如,具有调节钙和磷代谢作用的维生素D3的合成就采用了Suzuki反应[29].

4 研究展望

Pd催化交叉偶联反应是现代有机合成中构成C-C键的重要方法之一.由于该类型的反应具有选择性好、产率高、官能团耐受性好,以及对底物的兼容性较好等优点,因而受到人们越来越多的关注,并已经在在医药以及天然产物合成中得到了广泛的应用.然而,到目前为止,Pd催化交叉偶联反应还存在以下3个关键问题:(1)Pd催化剂价格昂贵且有毒,使其在医药合成工业上的应用受到限制;(2)如何研究出高活性负载型Pd催化剂,使其既保持活性又易于分离和回收;(3)如何进一步拓宽Pd催化交叉偶联反应的应用范围.

2010年的诺贝尔化学奖颁发给了长期从事于Pd催化交叉偶联反应的 Heck,Negishi和Suzuki等3位化学家,这将进一步激发越来越多研究者关注这一领域,并解决以上问题.实践证明,将Pd催化剂以化学或物理的方式负载于无机或有机高分子载体,如MNPs或聚合物等上,不仅可以延长其使用寿命,而且催化剂也易于分离和回收.

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(责任编辑:陈志贤英文审校:熊兴泉)

Recent Advances in Pd-Catalyzed Cross-Coupling Reaction

XIONG Xing-quan
(College of Material Science and Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

Recent advances in the palladium-catalyzed cross-coup ling reactions,which mainly exemplified by Heck reaction,Negishi reaction and Suzuki reaction,are discussed herein.A t the same time,it emphasizes the progress of magnetic nanoparticles(MNPs)or polymer-supported Pd catalysts and its applications in organic chemistry.

palladium-catalyzed;cross-coup ling reaction;Heck reaction;Negishi reaction;Suzuki reaction

O 643.32;TQ 426.81

A

1000-5013(2011)02-0121-04

2010-11-22

熊兴泉(1980-),男,博士,主要从事“点击”化学及结构可控聚合物的研究.E-mail:xxqluli@hqu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(21004024);福建省青年科技人才创新项目(2008F3067)