离子液体在Suzuki偶联反应中的应用*

李鹏宇，李猛，白雪峰,**

（1.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040;2. 黑龙江大学 化学化工与材料学院，黑龙江 哈尔滨 150080

离子液体在Suzuki偶联反应中的应用*

李鹏宇2，李猛1，白雪峰1,2**

（1.黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040;2. 黑龙江大学 化学化工与材料学院，黑龙江 哈尔滨 150080

过渡金属Pd催化的Suzuki偶联反应是构建C-C键的重要反应之一，在许多领域都有着广泛应用。在离子液体中进行的Suzuki偶联反应具有反应活性高、选择性好等特点。含有Pd配体的功能化离子液体直接催化Suzuki偶联反应可提高催化活性，容易实现产物与催化剂分离。固载化离子液体可有效地解决催化剂难以重复使用的问题。

Suzuki反应；Pd配体；离子液体；功能化

前言

Suzuki-Miyaura交叉偶联反应（简称Suzuki反应）是构建C-C键的重要反应。在Pd等过渡金属催化下，有机硼酸酯与卤代物可以发生交叉偶联反应[1～2]。该反应可以在空气气氛下进行，条件温和，具有较强的底物适应性和官能团容忍性等优点。自1979年报道以来，已广泛应用于医药、天然产物合成、液晶及OLED中间体等有机合成领域[3～4]。

均相钯配体催化剂是Suzuki反应最常用的催化剂，反应效率很高，但也存在与产物分离难，不能循环使用等问题，研究人员一直在寻找可以回收的钯催化剂，以降低成本，提高循环使用效率[5～6]。非均相催化剂可以有效地解决以上问题，这使得非均相催化逐渐成为了Suzuki反应的研究热点[7]。非均相催化的Suzuki反应可分为固-液非均相和液-液非均相催化。固-液非均相催化剂是将钯负载到载体表面制得的催化剂，在催化Suzuki反应时可多次重复使用，但由于分散性较均相催化剂差，催化效率远低于均相催化反应。离子液体具有良好的溶解性，可以提高催化剂活性，降低催化剂的用量，可作为C-C偶联反应的介质[8]。随着离子液体的发展，离子液体的阳离子或阴离子上连接具有功能性基团的功能性离子液体逐渐应用于一些重要的催化反应中。本文重点对离子液体在Suzuki偶联反应中的应用进行了综述。

1 离子液体作为溶剂

离子液体具有低蒸气压、低毒、溶解能力强、不易燃等常规溶剂不具备的优势，可以促进Suzuki偶联反应的进行。

Mathews等[9]在[bmim]BF4中，进行了Pd(PPh3)4（1.2mol%）催化对溴苯甲醚与苯硼酸的Suzuki反应，反应产物收率在80%以上，产物通过乙醚萃取即可与反应体系分离。催化剂重复使用4次，催化活性没有明显降低。Srinivasan等[10]采用超声诱导的方法，在30℃下，以[bbim]BF4和甲醇作为共溶剂、Pd(OAc)2作为催化剂，进行卤代芳烃与苯硼酸的Suzuki偶联反应。在一系列的反应中，碘代芳烃与溴代芳烃45min内产物收率均达到80%以上。氯代芳烃的反应时间较长，产物收率较低。McNulty等[11]将卤代苯和苯硼酸溶解在十四烷基三己基氯化膦中，在Pd2(dba)3的催化下，碘苯和溴苯与苯硼酸的Suzuki偶联收率可达92%～100%，在此体系中，催化剂可重复使用多次。加入PPh3后，带有吸电子基团的氯苯可以较好地反应，收率可达76%～84%。Silarska等[12]用离子液体1-9合成氮杂环卡宾在微波下催化Suzuki反应，证明在微波加热过程中产生了大量的4～6nm的Pd(0)，这些纳米粒子的Pd(0)对反应有很好的促进作用。

Song等[13]使用[Emim][TF2N]离子液体作为溶剂，以3mol%芳基咪唑10为前催化剂，加入氯化钯，水为溶剂，100℃下进行Suzuki反应，溴苯与苯硼酸收率达88%。反应中也观察到了纳米粒子钯的存在。

在离子液体中进行的Suzuki偶联反应活性较高，离子液体与一些有机溶剂不互溶，产物与反应体系可通过萃取等简易方法分离。离子液体还可作为超声、微波促进的反应介质，从而加快Suzuki偶联反应的速率。

2 离子液体作为催化剂

离子液体是由有机阳离子和无机阴离子构成，这就为设计功能化的离子液体提供了可能。一些带有配位基的有机阳离子可与过渡金属形成配合物作为催化剂，直接催化Suzuki偶联反应。利用离子液体与一些有机溶剂不互溶的特性，可通过萃取等手段，容易地将反应产物与催化剂分离开来。

Corma等[14]对咪唑类阳离子进行设计，在1-正丁基咪唑的3位N原子上连接肟类环钯配合物11。使用该功能化的离子液体催化了苯硼酸与溴苯及碘苯的Suzuki偶联反应。催化剂用量在4.8mol%时，反应收率为27%。

Shreeve等[15]采用双咪唑环作为阳离子，制备了一种具有配位功能的离子液体12。在催化具有H、F、CF3、NO2、CH3等取代基的溴代芳烃进行Suzuki偶联反应时，反应收率均达到82%以上。此催化体系在重复使用多次后仍具有较高的催化活性，说明Pd与双咪唑环离子液体形成了较为稳定的配位结构。反应结束后，仅通过乙酸乙酯萃取，即可实现产物与反应体系的分离。

Zhao等[16]制备出一系列的氰基配位功能化的吡啶型离子液体钯催化剂13，这些催化剂可催化碘代芳基与芳基硼酸的Suzuki偶联反应，反应收率在80%以上。实验结果表明，催化剂c在[C3CNpy][Tf2N]作为溶剂时，重复使用9次，反应活性依然没有降低。

曹正芳等[17]制备了功能化的N-杂环离子液体14（a-e），并考察了含有14b钯催化剂催化多种取代基的溴代芳烃与芳基硼酸的Suzuki偶联反应的催化活性。实验结果表明，此催化体系对具有吸电子效应的溴代芳烃有较好的活性，在短时间内收率可达98%以上，而对于给电子基催化活性有所降低。

Zhao等[18]合成了一种含有四齿卡宾配体的功能化离子液体15，发现含有此结构的钯催化剂能够在室温下催化Suzuki偶联反应，反应收率高，并且在催化一些大位阻底物时同样有效。此催化剂在物质的量用量为0.1%时，2h即可完成对4-氯苯乙酮与苯硼酸的催化，且反应收产率高达98%。

Li等人[19]设计并合成了一系列阳离子为胍结构的离子液体，而微波诱导下离子液体16与钯配位后催化对氯硝基苯与苯硼酸的Suzuki偶联反应有着良好的催化活性，在催化剂1%的物质的量用量、120℃、氩气保护的条件下，反应20min可得到98%的反应收率。可见微波诱导对反应速率起到了促进作用，从而大大地节省了反应时间。

Nacci等[20]发现，将乙酸钯投入熔融的TBAB（四丁基溴化铵）中，会产生能够催化氯代芳烃与芳基硼酸的偶联反应的纳米钯催化剂，此种纳米钯催化剂是由稳定的四丁铵阳离子与溴离子和溴钯酸根离子共同包裹中心的纳米钯颗粒而形成的。此种催化剂具有很强的催化活性，2.5%的物质的量用量、60℃时反应3h，催化对氯硝基苯与苯硼酸的Suzuki偶联反应的收率即可达到99%。而在90℃下催化对溴甲苯与苯硼酸的反应时，催化剂循环使用3次后催化活性才有明显下降，这可能是由于纳米钯颗粒团聚的缘故。

含有配位基团的离子液体与钯配合而成的离子液体催化剂结构稳定，催化活性较高，并且继承了离子液体与多种常用溶剂不互溶的特点，易与反应产物分离，便于回收再利用。

3 固载化离子液体作为催化剂

离子液体的固载化进一步地解决了离子液体钯催化剂回收困难的问题，提高了催化剂活性组分的利用率，降低了催化反应的成本。

Taher等[21]将N-杂环卡宾离子液体钯配体固载到表面经离子液体修饰的磁性Fe3O4上，得到了可以通过外加磁场分离的Fe3O4-Pd-NHC催化剂17。由于Pd-NHC结构在离子液体相中分散均匀，可与底物重复接触，从而提高了催化效率。Pd含量为0.5mol%的催化剂在催化带有不同种类取代基的溴代芳烃与芳基硼酸的Suzuki反应收率均为90%以上。通过催化对溴苯甲醚与苯硼酸的反应考察了催化剂重复使用的性能，结果表明，经过5次循环使用，催化剂的催化活性无明显降低。

Karimi等[22]报道了一种可负载钯催化剂的有序介孔有机硅-离子液体体系PMO-IL 18，由于此体系中存在配位基团，故可使Pd牢固且均匀地分散在介孔孔道内。催化剂Pd@PMO-IL在催化含有不同取代基的卤代芳基与芳基硼酸的Suzuki偶联反应时，有着良好的催化活性。即使是不活泼的氯代芳烃的催化产率也高达70%以上。此催化剂循环使用5次，催化活性没有明显下降。

Lee等[23]利用咪唑型离子液体合成了聚合物负载的双齿卡宾配位催化剂19，50℃时，1%物质的量用量的催化剂催化4-溴苯乙酮和苯硼酸进行Suzuki偶联反应，反应收率可达96%。并且此催化剂重复催化碘苯与苯硼酸反应10次后，反应收率依然没有下降，仍然在90%以上。

王佳毅[24]设计并合成了聚合物负载的离子液体钯催化剂20～22，并考察了其催化卤代芳烃与4-甲基苯硼酸的Suzuki偶联反应。催化剂物质的量用量为0.05%、70℃下催化不同取代基的碘苯和溴苯的过程中有着良好的催化活性，催化剂重复使用5次，催化效果未降低。

固载化的离子液体催化剂在反应体系中分散性好，使其催化效率大大提高，并且能够更加便捷地与反应产物分离，而实现催化剂的重复使用。

4 结语

Suzuki偶联反应一直以来都是有机化学中有效构建芳-芳键的重要反应之一。功能化的离子液体能够有效地固定钯活性组分，使之不易流失；而离子液体的固载化可以实现催化剂的重复利用，大大地降低了反应成本。离子液体结构较为稳定，毒性低，可减少对环境的污染。在当前环境污染日益严重的情况下，绿色化学越来越受到人们的重视。离子液体除了具有许多优势外，作为绿色化学的一个重要组成部分，势必会在Suzuki偶联反应中得到广泛应用。

［1］MIYAURA N,YAMADA K,SUZUKI A．A new stereospecific crosscoupling by the palladium-catalyzed reaction of 1-alkenylboranes with 1-alkenyl or 1-alkynyl halides［J］．Tetrahedron Letters,1979,20:3437～3440．

［2］MIYAURA N,SUZUKI A．Stereoselective synthesis of arvlated (E)-alkenes by the reaction of alk-1-enylboranes with aryl halides in the presence of palladium catalyst［J］．Chemical Communications,1979,19:866～867．

［3］ROGER A,SHELDON C．Green solvents for sustainable organic synthesis:State of the art［J］．Green．Chem．,2005,7:267～268．

［4］ANDRADE C K,ALVES L M．Environmentally benign solvents in organic synthesis:Current topics［J］．Curr．Org．Chem,2005, 9:195～218．

［5］WOLFSON A,DLUGY C．Palladium-Catalyzed Heck and Suzuki Coupling in Glycerol［J］．Chem．Pap．,2007,61(3):228～232．

［6］Qin Y C,WEI W,LUO M M．Suzuki Miyaura Cross-Coupling of Arenediazonium Salts with Arylboronic Acids Catalyzed by a Recyclable Polymer-Supported N-Heterocyclic Carbene Palladium Catalyst［J］．Synlett．,2007,15:2410～2414．

［7］颜美,冯秀娟．负载钯催化的Suzuki偶联反应研究进展［J］．有机化学,2010,30(5):623～632．

［8］CALO V,NACCI A,MONOPOLI A．Effects of ionic liquids on Pd-catalysed carbon-carbon bond formation［J］．Eur．J．Org．Chem．,2006:3791～3802．

［9］MATHEWS C J,SMITH P J,WELTON T．Palladium catalyzed Suzuki cross-coupling reactions in ambient temperature ionic liquids［J］．Chemical Communications,2000,14:1249～1250．

［10］RAJAGOPAL R,JARIKOTE D V,SRINIVASAN K V．Ultrasound promoted Suzuki cross-coupling reactions in ionic liquid at ambient conditions［J］．Chemical Communications,2002,6: 616～617．

［11］MCNULTY J,CAPRETTA A．Suzuki cross-coupling reactions of aryl halides in phosphonium salt ionic liquid under mild conditions［J］．Chemical Communications,2002,17:1986～1987．

［12］SILARSKA E,TRZECIAK A M,PERNAK J,et al．,［IL］2［Pd－Cl4］complexes(IL=imidazolium cation)as efficient catalysts for Suzuki-Miyaura cross-coupling of aryl bromides and aryl chlorides［J］．Applied Catalysis A:General,2013,466:216～223．

［13］SONG HONGBING,NING YANA,FEI ZHAOFU．Evaluation of ionic liquid soluble imidazolium tetrachloropalladate pre-catalysts in Suzuki coupling reactions［J］．Catalysis Today,2012, 183:172～177．

［14］CORMA A,GARCIA H,LEYVA A．An imidazolium ionic liquid having covalently attached an oxime carbapalladacycle complex as ionophilic heterogeneous catalysts for the Heck and Suzuki Miyaura cross-coupling［J］．Tetrahedron,2004,60:8553～8560．

［15］XIAO JICHANG,SHREEVE J M．Synthesis of 2,2’-Biimidazolium-Based Ionic Liquids:Use as a New Reaction Medium and Ligand for Palladium-Catalyzed Suzuki Cross-Coupling Reactions［J］．J．Org．Chem．,2005,70:3072～3078．

［16］ZHAO DONGBIN,FEI ZHAOFU．Nitrile-Functionalized Pyridinium Ionic Liquids:Synthesis,Characterization,and Their Application in Carbon-Carbon Coupling Reactions［J］．J．Am．Chem．Soc．,2004,126(48):15876～15882．

［17］曹正芳．Pd的N杂环离子盐合成及催化性能研究［D］．江西:南昌大学,2010．

［18］ZHAO Y,ZHOU Y．Suzuki cross-coupling mediated by tetradentate N-heterocyclic carbene(NHC)-paIiadium complexes in an environmentally benign solvent［J］．Org．Biomol．Chem．, 2003,1:1643～1646．

［19］LIN LI,LI SHENGHAI,JIANG RIHUA．Microwave-assisted Palladium-micelle-catalyzed Suzuki Cross-coupling Reaction in Water［J］．Chinese Universities,2011,27(4):589～591．

［20］CALO V,NACCI A．Pd Nanoparticles as Efficient Catalysts for Suzuki and Stille Coupling Reactions of Aryl Halides in Ionic Liquids［J］．J．Org．Chem．,2005,70:6040～6044．

［21］TAHER A,KIM J．Highly Active and Magnetically Recoverable Pd-NHC Catalyst Immobilized on Fe3O4Nanoparticle Ionic Liquid Matrix for Suzuki Reaction in Water［J］．Synlett．,2009, 15:2477～2482．

［22］KARIMI B,ELHAMIFAR D．Ordered Mesoporous Organosilica with Ionic-Liquid Framework:An Efficient and Reusable Support for the Palladium-Catalyzed Suzuki Miyaura Coupling Reaction in Water［J］．Chem．Eur．J．,2010,16:8047～8053．

［23］KIM J H,KIM J W,SHOKOUHIMEHR M,et al．Polymer-Supported N-Heterocyclic Carbene-Palladium Complex for Heterogeneous Suzuki Cross-Coupling Reaction［J］．J．Org．Chem．, 2005,70:6714～6720．

［24］王佳毅．功能化离子液体的设计、合成及应用［D］．上海:华东理工大学,2010．

杂化气凝胶制备首用真空干燥

在科技部、国家自然科学基金委的大力支持下，中科院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的科研人员日前首次通过简便的真空干燥技术，制备了弹性低密度有机-无机杂化气凝胶。这种制备方法简便、性能优异、易于表面功能化的气凝胶材料对于拓展气凝胶的实际应用具有重要的意义。

Application of Ionic Liquids in Suzuki Coupling Reaction

LI Peng-yu2,LI Meng1and BAI Xue-feng1,2
(1.Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China;2.College of Chemistry and Material Science,Heilongjiang University,Harbin 150080,China)

The Suzuki coupling reaction catalyzed by transition metal Pd is one of the most important C-C coupling reactions,which has been widely used in many fields.Suzuki coupling reactions in ionic liquids represent the characteristics of high reactivity and good selectivity.The functionalized ionic liquids with Pd ligand group can improve catalytic activity and easily realize the separation between product and catalyst.The supported ionic liquids can effectively solve the problem of catalyst reuse.

Suzuki coupling reactions;palladium ligands;ionic liquids;functionalized

TQ426.7

A

1001-0017（2013）06-0053-05

2013-08-11*基金项目：黑龙江省科学院科研基金项目

李鹏宇(1988-)，男，黑龙江大庆人，在读硕士，研究方向：工业催化。

**通讯联系人：白雪峰（1964-），男，博士，研究员，主要从事工业催化方面研究，E-mail:bxuefeng@163.net。