咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯催化Suzuki偶联反应的研究*

李鹏宇，李 猛，白雪峰

（黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨150040）

前 言

金属钯催化芳基卤化物与芳基硼酸的Suzuki偶联反应是由Suzuki等人于1979年首次报道，它提供了一种合成联苯类化合物的重要途径[1～2]。Suzuki偶联反应可在空气下进行，且具有操作简单、条件温和、对水不敏感等优点，对不同反应底物和不同取代基团具有较强的适应性，已经广泛地应用于药物中间体、新型显示材料和新材料等领域，成为有机合成方面的重要反应过程[3～5]。

均相钯配体催化的Suzuki偶联反应具有催化效率高，反应速度快等优点，但也存在催化剂与产物分离难，催化剂不能循环使用等问题[6～7]。非均相催化虽然可以有效地解决以上问题，但催化效率还有待提高[8]。离子液体的阳离子可以连接具有络合功能的基团，进而与钯形成配体钯催化剂，实现液-液非均相催化体系，不仅有利于催化剂与产物的分离，而且可以通过提高传质来改善催化效率[9～11]。

本文以4-羟基-苯乙酮为原料，与1,2-二氯乙烷反应合成4-氯乙氧基苯乙酮，再与1-甲基咪唑反应生成甲基（乙氧基苯乙酮）咪唑盐酸盐，然后通过肟化反应将苯乙酮转变成苯乙酮肟结构，最后再经氟硼酸根与氯离子交换和钯配位来制备咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯，并对其催化Suzuki偶联反应性能进行考察，为液-液非均相催化剂的开发提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

4-羟基-苯乙酮，化学纯，J.K Chemical Ltd；1,2-二氯乙烷、盐酸羟胺、醋酸钠、氯化锂、4-溴苯乙酮，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；1-甲基咪唑，化学纯，天津市鑫铂特化工有限公司；氯化钯，化学纯，天津市赢达稀贵化学试剂厂，以上原料均未进行提纯。

1.2 催化剂的制备

咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯-Pd[2Oxime-mim]BF4催化剂的制备反应过程见图1。

图1 咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯-Pd[2Oxime-mim]BF4催化剂的合成路线Fig.1 The synthetic route of imidazolium ionic liquid based acetophenone oxime palladiumcycle complex-Pd[2Oxime-mim]BF4

1.2.1 4-氯乙氧基苯乙酮的制备

分别将 0.4mol（39.61g）1,2- 二氯乙烷、0.2mol（27.65g）无水K2CO3和50 mLDMF加入反应器中，搅拌、加热混合液至60℃后，大约1h内，慢慢将溶于50mLDMF中的0.1mol（13.62g）4-羟基苯乙酮加入反应器，加完后，继续反应23 h，通过薄层色谱来监测制备反应进度。反应结束，经过滤、蒸除未反应的1,2-二氯乙烷。将釜底液加到去离子水中，加少量盐酸，水相和有机相界限明晰后，取有机相，蒸除溶剂，经干燥后，得到18.36g的4-氯乙氧基苯乙酮，收率达到92.42%。核磁分析证实产品为目标产物。

1.2.2 中间产物4a的制备

分别将0.05mol（10.00g）4-氯乙氧基苯乙酮、30mL乙醇和10.05mol（4.10g）N-甲基咪唑放在反应器中，30℃下反应10h。反应完毕，蒸除乙醇，用10mL乙腈溶解釜底黏稠状液体，将上述混合溶液加入到100mL乙酸乙酯中，中间产物4a结晶析出，白色结晶质量为12.77g，收率达到90.95%。FT-IR分析与标准物一致。

1.2.3 中间产物4b-[Oxime-mim]Cl的制备

将0.025mol（7.02g）4a与150mL乙醇混合均匀，形成A液，再将0.75mol（7.95g）无水Na2CO3和0.1mol（6.95g）盐酸羟胺溶解在20mL去离子水中，形成B液。将B液倒入A液中，充分混合后，再回流搅拌反应3h。反应完毕，用少许盐酸除去剩余CO32-离子，再蒸除水分，冷却至室温，用乙腈溶解釜底黏稠状液体，过滤，再将滤液中的乙腈蒸除，得到6.64g的[Oxime-mim]Cl,收率可到89.85%。FT-IR分析与标准物一致。

1.2.4 中间产物4c-[Oxime-mim]BF4的制备

将 0.015mol（4.45g）4b和 0.015mol（1.67g）NaBF4加入到100mL丙酮中，25℃下反应10h，使用AgNO3水溶液来测定反应达到终点后，过滤、蒸除溶剂，再用乙腈溶解所得离子液体，会出现细小晶体杂质，过滤出杂质，蒸除溶剂，得到4.73g中间产物4c，简称[Oxime-mim]BF4，收率可达97.79%。

1.2.5 咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯催化剂的制备

将 2.5mmol（0.4430g）PdCl2与 50mL无水乙醇混合，加入少量盐酸，超声处理直到PdCl2全部溶解，再向制备的PdCl2乙醇溶液中加入5mmol（1.7361g）4c，25℃下反应2h，反应完毕后，将乙醇蒸除，即得咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯催化剂（4d），简称Pd[2Oxime-mim]BF4。利用ICP-AES测得4d中钯含量为1.02mmol/g。

1.3 分析表征方法

傅立叶红外光谱（FT-IR）是使用美国NICOLE公司生产的T60 SXB FTIR型傅立叶红外光谱仪完成的，KBr压片法进行红外表征。核磁分析（1H-NMR）是用瑞士BRUKER公司生产的Bruker AV 400超导核磁共振仪完成的。

1.4 Pd[2Oxime-mim]BF4催化Suziki偶联反应

所制备催化剂的催化性能是以Suzuki偶联反应作为探针反应完成的。具体试验过程如下：在空气气氛下，将1mmol取代溴苯溶解于12mL甲醇水溶液中，移入三口瓶中，然后加入2mmol K2CO3和一定量的催化剂Pd[2Oxime-mim]BF4，加热到反应温度，搅拌10min，再加入1.5mmol的苯硼酸，来测试催化剂的反应活性。产品通过HPLC标法检测，检测波长254nm，流动相0.9mL甲醇+0.1mL水，柱温30℃。

2 实验结果与讨论

2.1 Pd[2Oxime-mim]BF4催化Suzuki偶联反应的条件优化

以Pd[2Oxime-mim]BF4为催化剂，对溴苯乙酮和苯硼酸为反应物，考察甲醇与水比例、碱（K2CO3）的加入量、反应温度和时间以及催化剂用量等条件对催化Suzuki偶联反应的影响，实验结果见图2～6。

图2 甲醇与水体积比对反应收率的影响Fig.2 The effect of volume ratio of methanol to water on the reaction yield

图3 K2CO3加入量比对反应收率的影响Fig.3 The effect of K2CO3adding amount on the reaction yield

图4 反应温度对反应收率的影响Fig.4 The effect of reaction temperature on the reaction yield

图5 反应时间对反应收率的影响Fig.5 The effect of reaction time on the reaction yield

图6 Pd[2Oxime-mim]BF4加入量比对反应收率的影响Fig.6 The effect of Pd[2Oxime-mim]BF4adding amount on the reaction yield

从图2～6可知，Pd[2Oxime-mim]BF4催化Suzuki偶联反应的最优实验条件为：甲醇与水的体积比为1∶1，碳酸钾加入量为2mmol，反应温度为45℃，反应时间为45min，催化剂用量为2×10-3mmol。

2.2 Pd[2Oxime-mim]BF4催化剂的原料适用性研究

在最优的实验条件下，选取含不同取代基的溴代芳烃，与苯硼酸进行Suzuki偶联反应，考察Pd[2Oximemim]BF4催化剂对原料的适应性，实验结果见表1。

表1 催化剂Pd[2Oxime-mim]BF4催化不同底物的Suzuki偶联反应Table 1 The Suzuki coupling reaction of different substrates catalyzed by Pd[2Oxime-mim]BF4

由表1可知，含有吸电子基团（如-CHO、-CN、-NO2）底物时的反应收率高于含有供电子基团（如-CH3、-OCH3）底物，但 Suzuki偶联反应的收率均可以达到92%以上，说明Pd[2Oxime-mim]BF4对反应底物的适应性较强，是一种理想的催化剂。

2.2 Pd[2Oxime-mim]BF4催化剂的重复使用性能

在最优的实验条件下，进行Pd[2Oxime-mim]BF4催化4-溴代苯乙酮与苯硼酸的Suzuki偶联反应，考察了催化剂重复使用的性能，实验结果见图7。

图7 Pd[2Oxime-mim]BF4重复使用性能Fig.7 The reuse performance of Pd[2Oxime-mim]BF4

由图7可知，Pd[2Oxime-mim]BF4催化剂重复使用四次时，催化剂性能基本不变，五次后略有下降，这可能是由于催化剂从反应体系分离时造成有效成分损失的缘故。

3 结 论

（1）合成了咪唑型离子液体基苯乙酮肟环钯催化剂 Pd[2Oxime-mim]BF4，通过 FT-IR，1H-NMR 表征确定了催化剂的结构。

（2）以对溴苯乙酮与苯硼酸的Suzuki偶联反应为探针反应，优化了催化条件，即甲醇与水的体积比为1∶1，碳酸钾加入量为2mmol，反应温度45℃，反应时间45min，催化剂用量2×10-3mmol。

（3）Pd[2Oxime-mim]BF4对反应底物的适应性较强，含有供电子基团底物的Suzuki反应收率在92%以上。

（4）Pd[2Oxime-mim]BF4催化剂重复使用性好，使用四次时催化剂性能基本不变。