李佳哲,王海洋,史振鵬,白雪峰,,**
(1.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱150040;3.黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150080)
綜述與專論
碳材料負(fù)載鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的研究進(jìn)展*
李佳哲1,王海洋2,史振鵬3,白雪峰1,2,3**
(1.哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱150040;3.黑龍江大學(xué) 化學(xué)化工與材料學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150080)
過渡金屬鈀催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)是有機(jī)合成中的重要反應(yīng)之一。固載鈀催化劑具有制備簡(jiǎn)單、易分離、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn);碳材料具有大的比表面積、良好的孔結(jié)構(gòu)、性質(zhì)穩(wěn)定、容易回收再生等優(yōu)點(diǎn),是理想的鈀催化劑載體。綜述了不同碳材料負(fù)載鈀催化劑催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的研究進(jìn)展。
負(fù)載型鈀催化劑;碳材料;Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)
碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)是有機(jī)合成中的重要反應(yīng)之一,是制備各種有機(jī)化合物及中間體的重要途徑。1979年,Suzuki和Miyaura等人[1~3]首次將硼酸衍生物作為親核試劑引入到制備聯(lián)芳香烴的反應(yīng)中,利用鈀催化有機(jī)硼酸和芳基鹵代物的交叉偶聯(lián)反應(yīng),稱之為Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。經(jīng)過近些年的發(fā)展,Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)成為構(gòu)建聯(lián)苯類化合物最為重要的手段之一。
該反應(yīng)受到廣泛關(guān)注的原因在于:(1)反應(yīng)條件溫和,可以用水作溶劑或者共溶劑;(2)對(duì)多種官能團(tuán)具有較好的兼容性且位阻效應(yīng)影響很??;(3)副產(chǎn)物硼酸類化合物易分離除去且毒性小;(4)反應(yīng)可應(yīng)用于多種底物,適應(yīng)范圍廣。近年來Suzuki反應(yīng)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥中間體[4]、天然產(chǎn)物[5]及液晶材料[6]合成等各個(gè)領(lǐng)域。
在Suzuki反應(yīng)中,催化劑有著至關(guān)重要的作用,是Suzuki反應(yīng)研究的重點(diǎn)。Suzuki反應(yīng)普遍使用的催化劑為均相鈀催化劑,均相催化劑[7~8]具有分散性好、催化效率高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn),但是多數(shù)含配體的均相催化劑制備過程復(fù)雜,很多配體有毒且不穩(wěn)定,反應(yīng)條件苛刻,更重要的是均相催化劑與反應(yīng)體系在同一相中反應(yīng),造成催化劑分離困難,昂貴的鈀不能回收利用,同時(shí)殘留的鈀會(huì)對(duì)產(chǎn)物造成一定污染,這在藥物合成中是不可以忽視的問題。
使用非均相催化劑的優(yōu)勢(shì)在于可以通過簡(jiǎn)單的過濾來分離催化劑,避免由于金屬轉(zhuǎn)移或者配體而污染產(chǎn)物;同時(shí)催化劑可以回收重復(fù)利用,避免了資源的浪費(fèi)。目前普遍通過將均相催化劑固載化來制備非均相催化劑,許多有機(jī)和無機(jī)載體如聚合物[9],介孔硅[10~11],碳材料,金屬氧化物[12~13],殼聚糖[14]和樹枝狀聚合物[15]已應(yīng)用于負(fù)載型催化劑體系的制備。Pd/C負(fù)載型催化劑在催化加氫、氫解等[16~17]方面已有著廣泛應(yīng)用,Marck等[18]于1994年首次報(bào)道了Pd/C催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的研究結(jié)果。
無機(jī)碳材料由于來源廣泛、化學(xué)穩(wěn)定性高、不溶于有機(jī)溶劑、廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。本文主要論述了以不同種類的碳材料為載體負(fù)載鈀催化劑催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的研究進(jìn)展。
活性炭具有大的比表面積,豐富的孔結(jié)構(gòu),良好的負(fù)載性能以及性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),近年來越來越受到人們的關(guān)注。
Kurokhtina等[19]將粉碎的梅石和橡木粉激活制得介孔活性炭,再以甲苯為介質(zhì),醋酸鈀為鈀源制備P/C催化劑。當(dāng)上述催化劑用量為1.6mmol%時(shí),催化苯硼酸和溴苯、1-溴-4-氯苯、對(duì)溴苯乙酮反應(yīng)的收率最高可達(dá)80%。
Tang等[20]采用連續(xù)還原法制備出了一種新型的Fe@Pd/C的核-殼結(jié)構(gòu)催化劑,該催化劑在水溶液中溫和條件下能夠十分有效地催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng),催化劑可以通過外部磁場(chǎng)進(jìn)行回收,催化劑使用5次后其收率仍可達(dá)到86%。
黃鐘斌等[21]采用有機(jī)金屬Pd2(dba)3(dba為二亞芐基丙酮)還原分解法制得均勻分布的Pd納米顆粒(粒徑為3~6nm)混合液,并用果殼活性炭直接吸附得到了組合型Pd/C納米催化劑并將其用于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中,其催化活性比浸漬法制備的Pd/C催化劑高兩倍以上。以溴代芳烴為底物時(shí),在80℃下反應(yīng)0.5h后,偶聯(lián)產(chǎn)物收率可達(dá)98%以上;以鄰氯硝基苯為底物時(shí),在110℃下反應(yīng)1h后,偶聯(lián)產(chǎn)物收率可達(dá)64%。
以活性炭為載體制備Pd/C催化劑,制備過程簡(jiǎn)單,原料便宜,易回收,可重復(fù)使用,但仍存在活性不高,催化體系不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。如果能夠克服這兩個(gè)缺點(diǎn),Pd/C催化劑將有非常大的應(yīng)用前景。
CNTs是由單層或多層石墨烯圍繞中心軸卷曲而成的無縫納米管,可將其分為單壁碳納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs),CNFs與CNTs在結(jié)構(gòu)和性能上具有一定的相似性,都具備很好的熱導(dǎo)性、化學(xué)、機(jī)械性能以及大的比表面積,作為催化劑載體的研究頗受關(guān)注。
2.1 碳納米管(CNTs)
Zhou等[22]研究了一種簡(jiǎn)便的方法合成四元取代烯烴,即以碳納米管負(fù)載鈀(Pd/CNTs)作為催化劑,在超臨界二氧化碳條件下,催化Suzuki反應(yīng)合成四元取代烯烴。以醋酸鈉為堿,無任何添加劑,80℃條件下,Pd/CNTs(2mmol%)催化苯硼酸和二溴烯烴反應(yīng)12h后,收率達(dá)到85%,高于同樣條件下Pd/C(5mmol%)催化反應(yīng)的收率74%;且對(duì)不同取代基團(tuán)的反應(yīng)底物,Pd/CNTs的催化活性均高于Pd/C。
Siamaki等[23]用一種快速,無溶劑且不需還原劑或電流的方法制備碳納米管負(fù)載納米鈀(鈀單壁碳納米管和鈀多壁碳納米管),Pd納米顆粒更均勻地分散在單和多壁碳納米管表面。以碳酸鉀作為堿,乙醇-水為溶劑,80℃條件下,催化苯硼酸與溴/碘苯反應(yīng)10min,收率即可達(dá)到100%;且在催化碘苯的反應(yīng)中,以多壁碳納米管作為載體的催化劑循環(huán)使用9次后,收率仍為100%,第10次收率下降至70%。鈀/多壁碳納米管有更高的活性,原因是多壁碳納米管具有較大的直徑(20~150nm),為Pd提供了更多的附著點(diǎn)并且與Pd之間有更堅(jiān)固的作用,使Pd不易流失團(tuán)聚。此外,鈀/多壁碳納米管樣品被成功地應(yīng)用在各種各樣的官能化的反應(yīng)物的偶聯(lián)反應(yīng)中,同樣反應(yīng)條件下均得到了較為滿意的收率,產(chǎn)物收率達(dá)到95%。
Chen等[24]使用乙二醇作為溶劑和還原劑,在十二烷基硫酸鈉存在下,將鈀納米粒子成功沉積在微米級(jí)的碳納米管上。這樣制備出的Pd/CNTs在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中顯示了極佳的催化活性和選擇性,催化碘苯乙酮和苯硼酸的反應(yīng)收率可達(dá)98.6%,而且經(jīng)過5次重復(fù)使用,催化活性為98%,并沒有明顯降低。除此之外,微米尺寸的Pd/CNTs催化劑還可以用簡(jiǎn)單的過濾方法從反應(yīng)混合物中分離和回收。
2.2 碳納米纖維(CNFs)
Chen等[25]將鈀載于聚丙烯腈復(fù)合型碳納米纖維來制備Pd/碳納米纖維負(fù)載型催化劑,并用于催化液相中的碘苯和苯乙炔的偶聯(lián)反應(yīng),以Na3PO4· 12H2O作為堿,2-丙醇為溶劑,將反應(yīng)混合物回流攪拌3h,收率可達(dá)88%,并且催化劑循環(huán)使用10次后,收率仍能達(dá)到85%,說明Pd納米粒子與碳納米纖維表面有很好的鍵合作用,使Pd納米粒子不易流失,從而有較好的催化活性重復(fù)利用性。
碳納米管/碳納米纖維具有低的曲折度,可以最大限度地提高傳質(zhì)速率,制備得到的催化劑具有良好的選擇性,但是碳納米管作為載體,合成過程和Pd粒子沉積過程相對(duì)復(fù)雜,很大程度地限制了實(shí)際應(yīng)用。因此,開發(fā)簡(jiǎn)單、可靠的合成路線制備高效、可重復(fù)使用的碳納米管/碳納米纖維負(fù)載鈀催化劑仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
有序介孔碳是新型非硅基介孔材料,具有孔道結(jié)構(gòu)規(guī)整、較高比表面積、較大孔容、較窄孔徑分布、較好化學(xué)和熱穩(wěn)定性等特性,作為催化劑載體在新型負(fù)載型催化劑的制備領(lǐng)域等具有較好應(yīng)用前景。
Zhao等[26~27]提出了以可溶性酚醛樹脂為碳源,正硅酸乙酯為硅源,三嵌段共聚物F127為模板劑,利用溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法,合成高度有序的介孔聚合物-硅和硅碳復(fù)合物,再經(jīng)過煅燒和刻蝕的方法分別得到有序介孔純碳和純硅,這種方法簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程,節(jié)省了合成的成本,便于大規(guī)模生產(chǎn)。介孔碳孔徑為6.7nm??兹轂?.0cm3/g,比表面積可達(dá)2470m2/g,并且孔隙結(jié)構(gòu)和紋理可以通過改變大小和聚合程度控制;利用該方法制備的介孔碳-硅材料作為載體,以氯化鈀為鈀源通過浸漬法制備了非均相鈀催化劑,并且應(yīng)用于催化氯苯的偶聯(lián)反應(yīng),轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)到55%,并且只有非常少量的金屬析出。
邱會(huì)華[28]采用有機(jī)溶劑浸漬法制備介孔碳負(fù)載鈀催化劑,經(jīng)由ICP測(cè)定其Pd含量為5.8%(wt)。常溫下,以苯乙炔與碘苯為探針反應(yīng),探討了催化劑用量、溫度和溶劑的影響,結(jié)果表明溫度為70℃、乙醇為溶劑、碳酸鉀為堿、CuI和PPh3存在下,能有效地催化碘苯和苯乙炔的反應(yīng),收率可達(dá)89%。Pd/OMC重復(fù)使用5次仍有明顯的催化效率。但隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加,催化劑催化反應(yīng)的效率逐漸降低,這可能是催化劑在重復(fù)使用過程中Pd不斷流失引起的。
高婷婷等[29]利用SBA-15為模板、蔗糖為碳源,制備了有序介孔碳材料CMK-3,然后以CMK-3為載體,利用浸漬還原法得到介孔碳負(fù)載Pd納米粒子的復(fù)合催化劑(Pd/CMK-3)。CMK-3為有序介孔結(jié)構(gòu),孔徑約為5nm,Pd/CMK-3保留了介孔結(jié)構(gòu),且孔道中負(fù)載有不同尺寸的Pd粒子。應(yīng)用于無配體催化的Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng),相比于活性炭,Pd/CMK-3復(fù)合催化劑穩(wěn)定且活性較高。溶劑中水的加入有利于收率的提高,分別以碳酸鉀、乙醇、水為溶劑,溴苯與苯硼酸在70℃下反應(yīng)6h,得到89%收率的聯(lián)苯。
有序介孔碳較大的比表面積為Pd納米粒子提供更多的附著點(diǎn),存在的特殊的孔道結(jié)構(gòu)可以提高質(zhì)子的傳輸速率,以有序介孔碳為載體的鈀催化劑具有較好的催化活性,與Pd納米粒子結(jié)合緊密,不易浸出,間接地降低了成本,有序介孔碳及其負(fù)載金屬催化劑將有更廣闊的應(yīng)用前景。
石墨烯由于具有較高的電導(dǎo)率和比表面積(理論比表面積為2620m2/g)以及良好的穩(wěn)定性,故以新型的石墨烯材料作為催化劑載體引起了研究者的極大興趣。
Siamaki等[30]采用微波輔助化學(xué)還原法將相應(yīng)的硝酸鈀還原為金屬鈀,合成高活性石墨烯負(fù)載納米鈀,且催化劑具備高穩(wěn)定性,容易從反應(yīng)混合物中除去,損失小,可重復(fù)利用性好。在無配體的環(huán)境下,水-乙醇作為溶劑體系,80℃下,催化溴苯與苯硼酸反應(yīng)5min后,收率可達(dá)到100%,且重復(fù)使用5次后,收率沒有下降,同時(shí)催化劑也表現(xiàn)出了廣泛實(shí)用性,對(duì)不同取代基團(tuán)的反應(yīng)底物以及Heck偶聯(lián)反應(yīng)也有好的催化效果,這歸因于Pd納米粒子在石墨烯表面均勻的分布。
Liu等[31]采用離子交換和共沉淀兩步法合成了氧化石墨烯-四氧化三鐵復(fù)合物,并負(fù)載鈀納米顆粒得到了催化劑Pd-GO-Fe3O4。通過對(duì)不同反應(yīng)溫度、不同溶劑、不同負(fù)載量等條件的探討,得知溫度為160℃,以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑,將該催化劑用于溴苯和丙烯酸酯的Heck偶合反應(yīng)中,收率可達(dá)98.6%,且連續(xù)使用4次后,收率仍可保持97.5%。并且在外加磁場(chǎng)的作用下,催化劑則能夠迅速聚集在磁體附近,這對(duì)于催化劑在各種溶液條件下的應(yīng)用及其快速回收、再利用有著重要的意義。
目前石墨烯材料的研究范圍較窄,還面臨著許多問題和挑戰(zhàn),比如與其它高聚物的相容性、石墨烯與無機(jī)粒子的相互作用本質(zhì)等,仍亟待深入研究。
Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)一直以來都是有機(jī)化學(xué)中有效構(gòu)建芳-芳鍵的重要反應(yīng)之一。鈀催化劑的固載能有效地固定鈀活性組分,使之不易流失,同時(shí)實(shí)現(xiàn)催化劑的重復(fù)利用,降低了反應(yīng)成本。碳材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定,毒性低,來源廣泛,相比于活性炭為載體制備所得負(fù)載型鈀催化劑的低催化活性,以及碳納米管/碳納米纖維和石墨烯制備條件的苛刻,以有序介孔碳材料為載體負(fù)載鈀的非均相催化劑,因其具有優(yōu)異的催化活性且制備過程簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),近年來越來越受到人們的關(guān)注,將成為Suzuki反應(yīng)的熱點(diǎn)和主要研究方向。
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The Research Progress of Suzuki Coupling Reactions Catalyzed by Carbon Materials Supported Pd Catalysts
LI Jia-zhe1,WANG Hai-yang2,SHI Zhen-peng3and BAI Xue-feng1,2,3(1.College of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Institute of Petrochemistry, Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China;3.College of Chemistry and Material Science,Heilongjiang University,Harbin 150080, China)
The Suzuki coupling reactions catalyzed by transition metal palladium catalysts is one of the most important reactions in C-C coupling reaction.Immobilized palladium catalysts have many advantages,such as simple preparation technique,easy separation from reaction system and low production cost.The carbon materials used for the carrier of palladium catalysts have attracted great attentions because of their outstanding advantages,including large specific surface area,good pore structure,stable properties,easy recycle,etc.Some latest research processes in the preparation of carbon materials supported palladium catalyst and its application for catalyzing Suzuki coupling reaction are presented.
supported palladium catalyst;carbon materials;suzuki coupling reaction;
TQ426.6
A
1001-0017(2014)03-0202-05
2014-02-17 *基金項(xiàng)目:黑龍江省科學(xué)院科研基金項(xiàng)目
李佳哲(1989-),女,黑龍江人,在讀博士,研究方向:工業(yè)催化。
**通信聯(lián)系人:白雪峰(1964-),男,博士,研究員,主要從事工業(yè)催化方面研究,E-mail:baixuefeng64@126.com;