SonogashiraPd催化Sonogashira反应的绿色化

发布网友 发布时间：2024-10-23 03:08

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热心网友 时间：2024-10-24 14:17

简介绿色化学概念自提出以来, 至今已成为了化学学科里一个新兴且发展迅速的领域. 该方向关系到国民经济的可持续发展战略, 因而激发了许多化学工作者在这一方向做了大量研究工作. 下面我们根据反应介质的不同来分别概述Sonogashira反应绿色化的发展情况.

水相反应由于在水相中完成的Sonogashira反应具有更高的经济性与安全性, 并且在工业应用中也具有更多益处, 例如反应条件温和(通常在室温下即可反应), 产品易于分离, 具有较高的反应活性以及催化剂可以循环使用等, 这就促使人们在该方向做出积极的尝试. 现已发现以水为溶剂对于Pd催化的偶联反应往往有着正面的影响. 因此, 一些水/有机溶剂的混合体系较多的应用在了这一反应中. 到目前为止, 一些水溶性催化剂的合成与使用已经实现了完全意义上的Sonogashira水相反应. 1982年, Rossi等对在水相中完成Sonogashira反应就进行了探索. 他们选择10% NaOH水溶液/苯的混合体系, 在相转移催化剂苯基三乙基氯化铵的参与下, 该反应对一些特定的底物具有良好的反应性能. 这一发现促使了随后的几年中, 更多的有机溶剂与水的混合液被用作Sonogashira反应介质.

1990年, Casalnuovo等在其合成嘧啶衍生物的过程中, 以乙腈/水为混合溶剂, 在Pd[PPh2(TPPMS)]3/CuI的共同作用下, 顺利得到了Sonogashira偶联产品. 1992年, Genet等在水溶性的催化剂体系Pd(OAc)2/TPPTS中, 也以乙腈/水为混合溶剂, 顺利完成了碘代芳香烃与炔烃的Sonogashira偶联. 并且在这一条件下, 乙醇与水的混合溶剂对反应也具有同样的效果. 1998年, Dibowski等以Pd0金属为催化剂, 加入配体7, 同样在乙腈/水的混合溶剂中, 以高达99%的产率完成了长链取代炔烃与对碘苯甲酸的Sonogashira偶联.

在乙腈/水混合溶剂被应用到Sonogashira反应中之后, Bleicher, Lopez-Deber等又均以承载于石墨上的Pd0金属为催化剂, 在DME与水的混合溶剂中完成了卤代杂环基团与炔烃的Sonogashira偶联. 这一方法在一些敏感基团的偶联反应以及氨基酸的合成中占有显著的优势. 与Rossi方法类似, Mio等也在苯/水的混合溶剂中完成了三甲基硅取代的炔烃与碘代芳香烃的Sonogashira偶联反应. 而在2002年, Choudary等使用了纳米级的Pd0金属为催化剂, 在THF/水的混合溶剂中, 完成了活性较低的氯代芳香烃与苯乙炔的偶联反应.

Bumagin等在1995年, 以Pd(PPh3)2Cl2为催化剂, 使用Bu3N与K2CO3为混合碱, 完成了完全水相中的碘代芳香烃的Sonogashira偶联反应. 对于不同组分以及不同组分配比的混合溶剂对反应的影响, 作者亦作了比较. 并就水相中该反应的机理做了推测, 他们认为Bu3N参与形成了亚铜的炔烃铵, 这一化合物更易与钯的芳香烃加成产物ArPdI偶联, 从而得到Sonogashira产品.

1997年, Bergbreiter等以Pd0金属为催化剂, 在大分子的膦配体8的作用下其水溶性显著增强, 从而以91%的产率在纯水相中完成了对碘苯甲酸钠与3,3-二甲基-3-羟基乙炔的偶联反应. 表3不同溶剂对Sonogashira反应的影响表明, 以DMF/H2O (9:1)、DMF/H2O (1:1)、H2O、MeCN/H2O (9:1)、二氧六环/H2O (9:1)作为溶剂时, 反应产率分别为98%、65%、98%、20%、痕量.

图2 Sonogashira反应的机理 (配体未标出)展示了这一反应的可能路径, 其中Bu3N参与形成了亚铜的炔烃铵, 这一化合物更易与钯的芳香烃加成产物ArPdI偶联, 从而得到Sonogashira产品.

2001年, Bong等以类似的方法定量合成了脂肪酸片断. 近来, Najera等合成出了新型较为稳定的钯催化剂9, 并将其应用到了Sonogashira偶联的水相反应中, 对于一些底物其产率超过了99%.

固相或高聚物承载的反应固相反应以其自身的显著优势, 例如底物浓度相对较高, 产品分离简单等, 近年来已经成为绿色化学的重要分支之一, 也因此在高技术工业中有了诸多应用. Sonogashira反应在固相或高聚物承载的条件下也可以顺利完成, 并且已经应用到了许多化合物的合成过程之中. 通常用来承载这一反应的是一些高分子树脂和凝胶, 例如Wang树脂, 聚苯乙烯树脂, Rink树脂等. 在将这些化合物应用于反应时, 首先需将它们官能团化, 以期收到更好的反应效果. 反应结束后只需选取恰当的溶剂进行萃取或洗涤即可使产物与承载物质分离.

1994年, Young等在合成各种以苯乙炔为基本单元的纳米级聚合物的过程中, 前期单体芳香炔烃的合成便使用了由聚苯乙烯树脂承载的Sonogashira反应. 有趣的是, 如果将底物在反应前先承载于官能团化了的聚苯乙烯树脂之上, 那么整个苯乙炔聚合的过程就可以进行远红外监测, 而且这种固相反应不仅操作较液相反应简单, 产率也相应较高.

1998年, Berteina等也将碘代芳香烃承载在官能团化了的聚苯乙烯树脂上, 再与炔烃进行Sonogashira偶联反应, 不仅产率较高, 而且不会出现碘代芳香烃的自身偶联产品, 最后只需选取恰当的碱液进行淋洗便可使产物与承载物质分离.

其它高聚物承载的Sonogashira反应与我们上面列举的反应极其相似, 多数都是将碘代芳香烃承载于聚合物上再进行偶联反应, 在这里我们不再赘述. 为方便读者查询特将其归纳在了表4之中.

表4 高聚物承载的Sonogashira反应a展示了不同底物与产物的反应条件以及参考文献.

微波反应微波反应是绿色化学的重要分支之一. 其特别的加热方式可以大大缩短反应时间, 这也是该反应较其它反应条件最为显著的优势. 这一条件下进行的反应往往需要加入一些载体, 它们一般很少或者不吸收微波能量, 常用的如Al2O3.

Kabalka等在2000年尝试了在微波下以Al2O3为载体完成无溶剂Sonogashira反应. 他们选用Pd0金属作为催化剂, KF作为碱, 以较高产率得到了碘代芳香烃与炔烃的偶联产物. 但是在这一条件下, 溴代和氯代芳香烃却不能与相应的炔烃反应. 此外当以K2CO3, K3PO4以及NaF作为碱时其产率也会有大幅度的下降. 不过值得一提的是, 这一反应条件却克服了溶剂反应中催化剂无法回收再利用的缺点. 作者回收反应中的催化剂, 循环使用了七次, 发现产率只是稍有降低.

2001年, Erdelyi等在微波条件下尝试进行了均相Sonogashira反应, 他们以Pd(PPh3)2Cl2/CuI为催化剂, Et2NH为碱, DMF作为溶剂, 不仅使碘代芳香烃具有较高的转化率, 而且溴代芳香烃以及氯代吡啶也在这一条件下也具有较高的反应活性, 从而克服了以上Kabalka等微波非均相Sonogashira反应的部分缺点. 然而值得注意的是, 在均相反应中通常会产生较高的蒸气压, 此外金属催化剂的参与也可能会引起热失控效应, 因此反应必须在特殊的处理过程下进行.

2002年, Xia等完成了由聚合物承载的Sonogashira微波反应. 值得一提的是, 它是一种在可溶性聚合物上进行小分子有机物质液相合成的方法, 反应过程中除液态反应物以外无需加入其它溶剂, 这就使得该方法结合了液相反应和固相反应的双重优点. 他们以Pd(PPh3)2Cl2/CuI为催化剂, K2CO3为碱, 完成了碘代芳烃与炔烃的Sonogashira的偶联. 在反应中聚合物PEG扮演了双重角色, 既是承载物质, 又是PTC(相转移催化剂), 因此在这一条件下不仅可以高效地完成反应, 又免去了均相反应中复杂的特殊处理过程. 对于某些底物反应可以定量完成.

近来, Miljanic等人又尝试了在微波条件下进行二卤取代的芳香烃的Sonogashira偶联反应, 在其条件下对于碘代, 溴代卤代烃也有较好的收率.

离子液体中的反应离子液体是一种新兴的有机溶剂, 实质上它是具有低熔点, 通常在室温或更低温度下呈液态的离子型化合物. 由于它没有蒸气压, 只溶于特定的有机溶剂而对许多有机金属催化剂却有着良好的溶解性能, 所以从20世纪90年代起, 离子液体开始被应用到了过渡金属催化的反应中去.

2001年, Fukuyama等尝试了在这种新兴溶剂中完成Sonogashira反应. 他们选择[BMIm]-[PF6](阳离子为10)这一离子液体作为反应溶剂, 在该体系中单一的钯催化剂就足以使反应高效的进行, 无需加入亚铜盐, 从而使反应操作变得简单化. 由于离子液体也同其它溶剂一样, 不同的离子液体(阳离子为10, 11)对于不同的反应有着不同的反应活性, 作者以碘苯和苯乙炔为反应底物, 对于不同溶剂中反应效果的差异做了对比(表5), 由此可以看出该离子液体在这一反应中的优势所在.

表5不同离子液体对Sonogashira反应的影响展示了不同溶剂对于反应产率的影响, 以[BMIm][PF6]、[BMIm][BF4]、[EMIm][BF4]、甲苯、THF、DMF作为溶剂时, 反应产率分别为91%、83%、80%、48%、55%、81%. 此外, 离子液体中反应的另一个显著优势就是催化剂可以循环使用. 一般过渡金属催化剂多数都可溶于离子液体中, 产物只需选取恰当的溶剂进行萃取即可得到分离. Fukuyama等人就这种循环使用的催化剂的催化效果也作了对比, 由表6可以看出反应产率只是略有降低.

循环次数 产率/%
1 96
2 80
3 78
4 63
扩展资料

由Pd/Cu混合催化剂催化的末端炔烃与sp2型碳的 卤化物之间的交叉偶联反应通常被称之为Sonogashira 反应(Eq. 1). 这一反应最早在1975年由Heck, Cassar以及 Sonogashira等发现. 经过近三十年的发展, 它已 逐渐为人们所熟知, 并成为了一个重要的人名反应. 目 前, Sonogashira反应在取代炔烃以及大共轭炔烃的合成 中得到了广泛的应用, 从而在很多天然化合物,农药医 药,新兴材料以及纳米分子器件的合成中起着关键的作 用。