MCM-41負載對羥基苯乙酮肟環(huán)鈀催化劑的制備及催化Suzuki反應的研究

張井峰，白雪峰

（1.黑龍江省科學院 石油化學研究院，黑龍江 哈爾濱150040;2.恒力石化，遼寧 大連116318）

前 言

過渡金屬鈀催化芳基鹵化物與芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應為人們提供了一種合成聯(lián)苯類化合物的重要途徑[1～2]，在合成天然產(chǎn)物、醫(yī)藥中間體、農藥及高分子液晶材料等領域得到了廣泛的應用[3～6]。

目前，廣泛用于催化Suzuki偶聯(lián)反應的催化劑主要是均相催化劑，具有分散性好、選擇性好、催化效率高等優(yōu)點，但是還存在催化劑不能重復使用、催化劑殘留等不足，而非均相負載型配體催化劑可以很好的解決催化劑循環(huán)使用等問題。介孔硅材料具有有序一維孔道結構，表面性能的可調變性，及均勻的孔分布，因此，介孔分篩子材料成為優(yōu)異的催化劑載體，并已在負載有機配體鈀催化劑得到應用[7～8]。

本文針對均相催化下Suzuki反應中催化劑難回收、不能重復利用、殘留催化劑可能污染產(chǎn)物的問題，以MCM-41為載體，通過硅烷偶聯(lián)劑的表面修飾合成了MCM-41@KH560具有介孔材料特征的載體，再將活性組分4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀通過肟鈀絡合物的羥基與MCM-41@KH560端位環(huán)氧基團作用成功制備了MCM-41@KH560負載4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀催化劑。通過FT-IR、UV-Vis、ICP-AES等分析手段對催化劑的結構和組成進行了表征。通過探針反應，對制備的固載型催化劑催化芳基鹵代烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應性進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

美國NICOLE公司的T60SXBFTIR型傅立葉紅外光譜儀;日本Shimadzu公司的UV-2450紫外-可見漫反射光譜分析儀;大連依利特II230高效液相色譜儀;醋酸鈀購于浙江省冶金研究院有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 MCM-41負載4-羥基苯乙酮肟鈀催化劑的制備

MCM-41負載4-羥基苯乙酮肟鈀催化劑（簡寫為MCM-41@KH560-CI2Pd）的合成路線見圖1。

圖1 MCM-41@KH560--CI2Pd 的合成Fig.1 Synthesis of MCM-41@KH560--CI2Pd

1.2.1 4-羥基苯乙酮肟、4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀的合成

見文獻[9]。

1.2.2 MCM-41 表面修飾MCM-41-KH560 的制備[10]

將8gMCM-41分子篩置于真空干燥箱中干燥12h后，在氮氣保護下，取5g已烘干的MCM-41加入到三口瓶中，加入50mL經(jīng)無水處理的四氫呋喃溶劑中，反應在干燥條件下進行，回流攪拌下向三口瓶內加入10mL端位含環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（簡稱KH560）,回流攪拌下反應12h，蒸出20mL含甲醇的四氫呋喃溶劑，補加20mL無水四氫呋喃溶劑，繼續(xù)反應12h，過濾，依次用四氫呋喃（10mL）,丙酮（10mL）,乙醚（10mL）洗滌,分別洗滌3次，真空干燥12h，稱量得8.32g白色固體。

1.2.3 MCM-41@KH560-CI2Pd 的制備

在氮氣保護下，稱取4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀0.44g（2mmol）加入到50mL無水乙醇溶液中攪拌，保持反應體系溫度為50℃,攪拌20min后，再依次將5g經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面修飾的MCM-41@KH560固體，0.04g氫氧化鉀加入到三口瓶內，保持50℃下反應72h。過濾，依次用乙醇（20mL）,四氫呋喃（20mL）,丙酮（20mL）洗滌，分別洗滌3次，然后以二氯甲烷為提取劑索氏抽提48h.真空干燥18h,得黃色固體催化劑5.12g。

1.3 催化劑催化性能的評價

通過催化Suzuki偶聯(lián)反應來評價催化劑的催化性能：向三口瓶中加入12mL溶劑，1mmol芳基溴化物、2mmol堿、特定量的催化劑和1.5mmol苯硼酸，在一定溫度下反應一定時間，用高效液相色譜檢測反應的產(chǎn)物，反應產(chǎn)物用外標法定量。HPLC分析條件為檢測波長254nm，流動相0.9mL甲醇，0.1mL水，柱溫30℃。

2 結果與討論

2.1 催化劑的表征

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICPAES）測定了所制備的MCM-41@KH560-CI2Pd中鈀的含量，其結果為0.50mmolPd/g。

圖2 MCM-41（a）、MCM-41@KH560（b）、MCM-41@KH560-CI2Pd（c）的紅外譜圖Fig.2 FT-IR spectra of MCM-41（a）, MCM-41@KH560（b）and MCM-41@KH560-CI2Pd（c）

圖2為MCM-41負載對羥基苯乙酮肟環(huán)鈀前后的FT-IR圖。從圖2（a）中可以看出，在3445cm-1出現(xiàn)的吸收峰歸屬于表面羥基的特征峰，1082cm-1,813cm-1,456cm-1處的吸收峰分別歸屬于Si-O-Si鍵不對稱伸縮振動，對稱伸縮振動和彎曲振動吸收峰，993cm-1歸屬Si-O伸縮振動;從圖2（b）中可以看出，當MCM-41表面被環(huán)氧基硅烷偶聯(lián)劑KH560修飾后，紅外譜圖2943cm-1處出現(xiàn)了一個新的吸收峰，該峰歸屬-CH2-伸縮振動，1230cm-1處出現(xiàn)的吸收峰歸屬于環(huán)氧基C-O-C伸縮振動，說明了MCM-41成功的被硅烷偶聯(lián)劑KH560表面功能化;從圖2（c）中可以看出，MCM-41@KH560負載4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀催化劑，除MCM-41本身特征吸收峰外，表面功能化的C-O-C伸縮振動明顯變弱，環(huán)氧伸縮振動峰也變弱，且在1634cm-1出現(xiàn)新的吸收峰，該峰歸屬C=N特征吸收峰，說明4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀成功地通過偶聯(lián)劑負載于MCM-41介孔分子篩上。

MCM-41@KH560-CI2-Pd催化劑的制備過程的紫外-可見光譜分析結果見圖3。圖3（a）是4-羥基苯乙酮肟的紫外吸收光譜，產(chǎn)生的最大吸收波長在298nm（與理論計算吻合），這是苯環(huán)與C=N共軛體系在紫外可見光區(qū)π→π*躍遷產(chǎn)生的紫外可見吸收峰。圖3（b）是4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀絡合物的紫外可見吸收光譜，在240～370nm出現(xiàn)一強吸收帶和370～420nm弱吸收帶，這是金屬d-d躍遷和配體內躍引起的。由圖中可以觀察到，紫外可見光譜的吸收譜成為吸收帶而不再是在某一波長有最大的吸收峰，同時紫外可見吸收邊產(chǎn)生了明顯的紅移現(xiàn)象，這是由于鈀與肟配體配位后，金屬的電子能級發(fā)生裂分，紫外可見光譜（UV-vis）顯示為譜帶。圖3（c）是MCM-41表面修飾后負載4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀催化劑，出現(xiàn)了明顯的金屬配合物的紫外可見吸收帶，說明4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀金屬絡合物有效地通過接枝的方法負載于MCM-41介孔分子篩上。

圖3 MCM-41@KH560--CI2Pd 制備過程的UV-vis 光譜分析對羥基苯乙酮肟（a），對羥基苯乙酮肟合氯化鈀（b）和MCM-41@KH560-CI2Pd（c）Fig.3 UV-Vis spectra analysis in preparation of MCM-41@KH560-CI2Pd 4-hydroxyacetophenone oxime（a）, 4-hydroxyacetophenone-PdCl2（b）and MCM-41@KH560-CI2Pd（c）

2.2 MCM-41@KH560-CI2Pd催化Suzuki偶聯(lián)反應

2.2.1 溶劑的影響

反應條件為1mmol對溴苯乙酮，1.5mmol苯硼酸，2mmol碳酸鉀，反應時間4h，反應溫度70℃，1×10-2mmol鈀的MCM-41@KH560-CI2-Pd,14mL有機溶劑和2mL水，考察反應溶劑對Suzuki偶聯(lián)反應的影響，實驗結果見表1。

表1 溶劑對Suzuki 偶聯(lián)反應的影響Table1 Effect of solvents on Suzuki coupling reaction

從表1中可以看出，乙醇，異丙醇質子性溶劑對反應具有促進作用，乙醇、異丙醇反應體系在4h內即可達到較高的產(chǎn)物收率，而在非質子性溶劑中，除甲苯能達到88%產(chǎn)物收率外（這也可歸結為苯與底物、產(chǎn)物有相似的結構有關），其它的溶劑體系產(chǎn)物的收率相對來說較低，二甲基乙酰胺只有64.12%產(chǎn)物收率，1,4-二氧六環(huán)溶劑體系中產(chǎn)物產(chǎn)率為43.86%，這與均相體系不同，負載型催化劑的載體及修飾用的硅烷偶聯(lián)劑對反應體系是有影響的。由此可知，以肟環(huán)鈀催化的Suzuki偶聯(lián)反應均相反應體系中，強極性質子溶劑有利于催化反應進行，而極性非質子偶極溶劑對反應具有抑制作用，在后繼的Suzuki偶聯(lián)反應中選用異丙醇為反應有機介質。

2.2.2 反應溫度的影響

反應條件為1mmol對溴苯乙酮，1.5mmol苯硼酸,2mmol碳酸鉀，10mL異丙醇，2mL水,反應時間4h,反應溫度40℃，1×10-2mmol鈀MCM-41@KH560-CI2-Pd，考察反應溫度對Suzuki偶聯(lián)反應的影響，實驗結果見表2。

表2 反應溫度對Suzuki 偶聯(lián)反應的影響Table 2 Effect of reaction temperature on Suzuki coupling reaction

從表2可以看出，對溴苯乙酮與苯硼酸Suzuki偶聯(lián)反應速率隨著反應溫度升高顯著提高，反應溫度由室溫到70℃時，反應產(chǎn)物收率從71%到96%，Suzuki偶聯(lián)反應是放熱反應，低溫有利于反應向右進行，但產(chǎn)物的生成速率低，選擇了40℃為最佳的反應溫度，在此溫度下即達到了理想的產(chǎn)物收率。

2.2.3 堿的影響

堿能與芳基硼酸形成更具有親核性的陰離子，然后再發(fā)生金屬轉移反應，因此對反應有著重要影響。反應條件為1mmol對溴苯乙酮，1.5mmol苯硼酸,2mmol堿，10mL異丙醇和2mL水,反應時間1h,反應溫度40℃，1×10-2mmol鈀MCM-41@KH560-CI2-Pd，考察不同堿對Suzuki偶聯(lián)反應的影響，實驗結果見表3。

表3 堿對Suzuki 偶聯(lián)反應的影響Table 3 Effect of alkali on Suzuki coupling reaction

從表3可以看出，強堿對MCM-41@KH560-CI2-Pd催化Suzuki偶聯(lián)反應不利，弱酸型的堿對反應有較好的促進作用，其中鉀離子參與的Suzuki偶聯(lián)反應表現(xiàn)出更好的促進作用，碳酸鉀參與的Suzuki偶聯(lián)反應體系，4-乙酰基聯(lián)苯產(chǎn)物收率達到90%以上，這與鉀離子的離子半徑有關，一般來說，堿體系中的陽離子半徑越大對Suzuki偶聯(lián)反應的促進效果越佳，因此選擇碳酸鉀作為最佳的堿性條件。

2.2.4 催化不同底物的Suzuki 反應

以苯硼酸為原料，選擇具有不同取代基的溴苯作為底物，反應條件為1mmol芳基溴代苯，1.5mmol苯硼酸,2mmol碳酸鉀，10mL異丙醇和2mL水,反應溫度40℃，1×10-2mmol鈀MCM-41@KH560-CI2-Pd，考察MCM-41@KH560-CI2-Pd催化不同底物的Suzuki反應，實驗結果見表4。

從表4可以看出，MCM-41@KH560-CI2-Pd催化劑無論是催化帶吸電子基還是推電子的基團的溴代芳烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應，對應的產(chǎn)物收率均在90%以上，表現(xiàn)了極高的催化活性。同時又嘗試了催化氯代芳烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應，從表中看出4-甲基氯苯與苯硼酸的偶聯(lián)反應有89.20%,而2-甲基氯苯與苯硼酸Suzuki偶聯(lián)反應產(chǎn)物收率為72.31%,略低于4-甲基氯苯，這是鄰位甲基空間位阻引起的，總之MCM-41@KH560-CI2-

Pd催化劑能有效的催化溴代芳烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應，并對氯代烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應具有一定的催化活性。

表4 催化不同底物的Suzuki 反應Table 4 Suzuki reaction of different substrates

2.2.5 催化劑循環(huán)使用實驗

反應條件為1mmol對溴苯乙酮，1.5mmol苯硼酸,2mmol碳酸鉀，10mL異丙醇和2mL水,反應時間0.5h,反應溫度40℃，1×10-2mmol鈀MCM-41@KH560-CI2-Pd，進行催化劑的循環(huán)使用實驗。每次反應完，將催化劑過濾，洗滌，進行下一次實驗，實驗結果見表5。

表5 催化劑循環(huán)使用實驗結果Table 5 Results of reuse of catalyst

從表5中可以看出，催化劑經(jīng)6次循環(huán)使用后，4-乙酰聯(lián)苯的收率從89.1%逐漸下降到76.7%，下降控制在14%，說明以4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀通過接枝方法負載于MCM-41表面起到了較好的固定化型催化劑的作用。這可能由于在堿的作用下MCM-41的硅孔道會部分脫落，導致活性鈀組分流失而造成的。

3 結 論

MCM-41通過硅烷偶聯(lián)劑的表面修飾合成了MCM-41@KH560具有介孔材料特征的載體，再將活性組分4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀通過肟鈀絡合物的羥基與MCM-41@KH560端位環(huán)氧基團作用成功制備了MCM-41@KH560負載4-羥基苯乙酮肟環(huán)鈀催化劑。通過探針反應，對制備的固載型催化劑催化芳基鹵代烴與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應性能進行了考察，確定了最優(yōu)溶劑和堿分別為異丙醇和K2CO3、反應溫度為40℃、催化劑用量為1×10-2mmol鈀，產(chǎn)物收率大于90%。催化劑經(jīng)6次循環(huán)使用后，催化活性下降14%。

［1］MIYAURA N, YAMADA K, SUZUKI A.A new stereospecific cross －coupling by the palladium －catalyzed reaction of 1 －alkenylboranes with 1－alkenyl or 1－alkynyl halides［J］.Tetrahedron Letters, 1979, 20（36）: 3437～3440.

［2］MIYAURA N, YANAGI T, SUZUKI A.The palladium－catalyzed cross－coupling Reaction of phenylboronic acid with haloarenes in the presence of bases［J］.Synthetic Communications, 1981, 11（7）:513～519.

［3］HEO Y, SONG Y S, KIM B T.A highly regioselectivity synthesis of 2－aryl－6－chlorobenzothiazoles employing microwave－promoted Suzuki －Miyaura cross －coupling reaction［J］.Tetrahedron Letters, 2006, 47（18）: 3091～3094.

［4］YANG C H, CHEN Y H, XIE Y Y.Synthesis of 8－Aryl－Substituted 4－（5－chloropyrido［4,3 －d］yrimidine－2－yl）morpholines as intermediates of potential PI3K inhibitors via selective Suzuki－Miyaura cross－coupling reaction［J］.ARKIVOC,2009,xi:257～267.

［5］SAKAMOTO J, REHAHN M, SCHLUTER A D.Suzuki Polycondensation: Polyarylenes à la Carte［J］.Macromol.Rapid Commun.,2009, 30（9～10）:653～687.

［6］KANEMATSU M, SHINDO M, SHISHIDO K.Total Synthesis of Bongkerkic Acid Via Sequencial Suzuki－Miyaura Coupling Reactions［J］.Synthesis, 2009, 17: 2893～2904.

［7］YANG Q, MA S M, LI J, et al.A water－compatible, highly active and reusable PEG－coated mesoporous silica－supported palladium complex and its application in Suzuki coupling reactions［J］.Chemical Communications, 2006（23）: 2495～2497.

［8］AVELINO C, DEBASHIS D, HERMENEGILDO G, et al.A periodic mesoporous organosilica containing a carbapalladacycle complex as heterogeneous catalyst for Suzuki cross－coupling［J］.Journal of Catalysis, 2005.229（2）: 322～331.

［9］萬紅亮，張井峰，白雪峰.均相肟鈀配體催化劑的制備及催化Suzuki 反應的研究［J］.化學與黏合，2012,34（4）:47～51.

［10］李惠云，王紹梅，劉立新.全硅介孔分子篩MCM－41 的表面修飾及其疏水性［J］.化學世界, 2009,50（9）: 517～520.