羥乙基纖維素負(fù)載三苯基膦－鈀催化劑的合成及其在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用

王曉霞，胡培博，魏玉萍

（天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，天津300072）

三苯基膦是一種重要的叔膦化合物，廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中[1－2］。由于三苯基膦與大多數(shù)過(guò)渡金屬有較強(qiáng)的親和能力，常常被用于碳碳鍵的形成反應(yīng)中[3］。但是均相反應(yīng)中合成的三苯基膦往往難以純化，甚至?xí)廴井a(chǎn)品，使得三苯基膦的應(yīng)用受到了限制。

鑒于此，有研究者將三苯基膦接枝到大分子上（如聚苯乙烯[4－5］、聚異丁烯[6］），進(jìn)而與金屬絡(luò)合作為催化劑。相比于均相催化劑，這類催化劑有著原料價(jià)廉、催化效率較高、綠色環(huán)保、可以回收利用等優(yōu)點(diǎn)[7］，但因其生產(chǎn)成本高、不易降解，仍然難以推廣應(yīng)用。

纖維素是自然界存在最為豐富的天然高分子之一[8］，纖維素及其衍生物直接負(fù)載金屬可以催化多種有機(jī)反應(yīng)[9－10］。其中羥乙基纖維素（HEC）能生物降解、來(lái)源豐富、可再生[11］，因分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基而親水性較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于石油、涂料、醫(yī)藥等領(lǐng)域[12－13］。蔡永紅等[14］以羥乙基纖維素為載體直接與鈀絡(luò)合得到催化劑，研究了該催化劑對(duì)Heck反應(yīng)的催化性能，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性較差，鈀在反應(yīng)中很容易脫落[15］。

作者嘗試以羥乙基纖維素為原料，從分子設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)其主鏈結(jié)構(gòu)中存在的大量羥基進(jìn)行化學(xué)改性，進(jìn)而與醋酸鈀絡(luò)合，合成一種新型的羥乙基纖維素負(fù)載三苯基膦－鈀催化劑，并探討了其對(duì)于Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的催化性能。

圖1 羥乙基纖維素負(fù)載三苯基膦－鈀催化劑的合成路線Fig.1 The synthetic route of HEC－OPPh3－Pd

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

羥乙基纖維素、無(wú)水氯化鋰、碳酸鉀、對(duì)溴苯甲醚、二苯基氯化膦、三氯化鋁、N，N－二甲基甲酰胺（DMF）、N，N－二甲基乙酰胺（DMAC）、三乙胺、甲苯、無(wú)水乙醇、石油醚、二氯甲烷、乙酸乙酯等均為分析純。

4－茴香基二苯基膦（Ph2PPhOCH3）以及4－羥基苯基二苯基膦（Ph2PPhOH）的合成參照文獻(xiàn)[16］。

1.2 催化劑的合成方法

1.2.1 羥乙基纖維素對(duì)甲苯磺酸酯（HEC－OTs）的合成

向干燥的三頸瓶中加入羥乙基纖維素及DMF，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下于80℃油浴攪拌反應(yīng)24h；冷卻至室溫，滴加三乙胺和DMF的混合液，再加入對(duì)甲苯磺酰氯的DMF溶液反應(yīng)30min，再加入一定量DMF室溫反應(yīng)3d；反應(yīng)完畢將反應(yīng)體系滴加到丙酮中，攪拌5h，抽濾，用乙醇洗3次，室溫真空干燥24h，得 HECOTs。

1.2.2 羥乙基纖維素負(fù)載三苯基膦（HEC－OPPh3）的合成

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，向加有DMF的圓底燒瓶中加入HEC－OTs，于80℃油浴攪拌3h，然后室溫?cái)嚢柽^(guò)夜至HEC－OTs完全溶解；再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入Ph2PPhOH和K2CO3，于80℃油浴攪拌反應(yīng)2d；冷卻至室溫，過(guò)濾，濾液緩慢滴入乙醚中，攪拌使產(chǎn)物充分析出，離心；沉淀依次在乙醇、水、乙醇中攪拌，離心，最后在乙醇中攪拌，抽濾，真空干燥，得HEC－OPPh3。

1.2.3 羥乙基纖維素負(fù)載三苯基膦－鈀催化劑（HECOPPh3－Pd）的合成

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，向加有甲苯的圓底燒瓶中加入HEC－OPPh3及醋酸鈀，混合，于56℃油浴攪拌反應(yīng)24h，再冷卻至室溫繼續(xù)攪拌反應(yīng)10h；過(guò)濾，沉淀依次用甲苯、丙酮和乙醚洗滌，所得黑色固體真空干燥，即得催化劑 HEC－OPPh3－Pd。

1.3 Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)

典型Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)：將對(duì)溴苯甲醚0.5mmol、苯硼酸0.6mmol、碳酸鉀1.0mmol以及 HEC－OPPh3－Pd催化劑加入到5.0mL的C2H5OH∶H2O（1∶1）溶液中，在空氣條件下于50℃油浴反應(yīng)一定時(shí)間；待反應(yīng)結(jié)束后，濾去催化劑，用乙酸乙酯洗滌反應(yīng)瓶，濾液經(jīng)乙酸乙酯萃取、水洗、飽和食鹽水洗、無(wú)水硫酸鎂干燥得到粗產(chǎn)物，再經(jīng)旋蒸TLC分離[（展開(kāi)劑為石油醚∶乙酸乙酯（50∶1）］，得到產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 HEC－OPPh3－Pd的TGA分析（圖2）

圖2 HEC－OPPh3－Pd在空氣條件下的TGA曲線Fig.2 The TGA curve of HEC－OPPh3－Pd under air condition

由圖2可以看出，催化劑HEC－OPPh3－Pd在溫度達(dá)到180℃以上時(shí)才分解，表明在空氣條件下，該催化劑在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)體系中是穩(wěn)定存在的。

2.2 Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)結(jié)果與分析

2.2.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

以0.5mmol對(duì)溴苯甲醚和0.6mmol苯硼酸的典型Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)為模板，考察溶劑、反應(yīng)溫度、催化劑用量、堿對(duì)反應(yīng)收率的影響，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同條件下HEC－OPPh3－Pd催化的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)Tab.1 Suzuki coupling reaction catalyzed by HEC－OPPh3－Pd under various reaction conditions

由表1 可見(jiàn)，不同的溶劑中，乙醇的效果較好，反應(yīng)收率為62%，且乙醇與水等比例混合時(shí)效果最好，收率高達(dá)91%，這可能與羥乙基纖維素的溶解性以及底物的溶解性有關(guān)；催化劑的用量對(duì)反應(yīng)收率并無(wú)明顯影響；反應(yīng)的最佳溫度為50℃、最佳用堿為碳酸鉀。

2.2.2 Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)底物擴(kuò)展

在上述優(yōu)化條件下，以HEC－OPPh3－Pd催化不同芳基鹵化物和芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，結(jié)果如表2 所示。

表2 不同芳基鹵化物和芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)結(jié)果Tab.2 Results of Suzuki coupling reactions for different aryl halides and arylboronic acids

由表2 可見(jiàn)，供電子基取代的芳基硼酸的反應(yīng)收率高于吸電子基取代的，這說(shuō)明芳基硼酸對(duì)電子效應(yīng)很敏感；此外，空間位阻效應(yīng)對(duì)于芳基硼酸的影響也很明顯，鄰位取代基影響明顯大于間、對(duì)位；當(dāng)不同的芳基溴化物與芳基硼酸進(jìn)行Suzuki反應(yīng)時(shí)富電子和缺電子的底物都能很好地發(fā)生反應(yīng)，生成高收率的偶聯(lián)產(chǎn)物，且正如已有文獻(xiàn)報(bào)道的，芳基氯化物的反應(yīng)活性低于相應(yīng)的芳基溴化物。

2.2.3 產(chǎn)物1HNMR表征

所得產(chǎn)物均為預(yù)期化合物，且1HNMR數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值相符，具體譜圖數(shù)據(jù)如下：

4－甲氧 基－4′－三 氟 甲 基 聯(lián) 苯 （Ⅰ ）：1HNMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.79～7.61（m，4H），7.55（d，J＝8.6Hz，2H），7.01（d，J＝8.6Hz，2H），3.87（s，3H）。

4－甲氧基－4′－乙基聯(lián)苯（Ⅱ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.52（dd，J＝15.4Hz，8.1Hz，4H），7.27（d，J＝9.9Hz，2H），6.99（d，J＝8.4Hz，2H），3.86（s，3H），2.71（q，J＝7.6Hz，2H），1.30（t，J＝7.6 Hz，3H）。

4－甲 氧 基－2′－氟 聯(lián) 苯 （Ⅲ ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ ：7.58（d，J＝7.6Hz，2H），7.54～7.43（m，1H），7.34（dd，J＝9.2Hz，3.3Hz，1H），7.29～7.15（m，2H），7.06（d，J＝8.7Hz，2H），3.91（s，3H）。

4－甲 氧 基－3′－氟 聯(lián) 苯 （Ⅳ ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.57（d，J＝8.6Hz，2H），7.39（s，2H），7.30（t，J＝7.9Hz，1H），7.03（d，J＝8.7Hz，3H），3.90（s，3H）。

4－甲 氧 基－4′－氟 聯(lián) 苯 （Ⅴ ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.60～7.40（m，4H），7.12（t，J＝8.6Hz，2H），6.99（d，J＝8.6Hz，2H），3.86（s，3H）。

4－氰基聯(lián)苯（Ⅵ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.68（q，J＝8.4Hz，4H），7.59（d，J＝7.3Hz，2H），7.54～7.39（m，3H）。

3－硝基聯(lián)苯（Ⅶ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：8.45（s，1H），8.21（dd，J＝8.2Hz，0.8Hz，1H），7.93（d，J＝7.7Hz，1H），7.74～7.58（m，3H），7.57～7.38（m，3H）。

聯(lián)苯（Ⅷ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.77（d，J＝7.2Hz，4H），7.73～7.57（m，4H），7.57～7.47（m，2H）。

2－甲基聯(lián)苯（Ⅸ）：1HNMR（400MHz，CDCl3），δ：7.58（d，J＝6.4Hz，3H），7.52（d，J＝5.4Hz，3H），7.43（d，J＝2.1Hz，3H），2.46（d，J＝5.7Hz，3H）。

3 結(jié)論

以羥乙基纖維素（HEC）為原料，首先合成三苯基膦功能化的羥乙基纖維素（HEC－OPPh3），進(jìn)而與醋酸鈀絡(luò)合，合成了一種新型的羥乙基纖維素負(fù)載三苯基膦－鈀催化劑（HEC－OPPh3－Pd）。該催化劑能在空氣中穩(wěn)定存在，于乙醇和水等比例混合溶劑中能有效催化鹵代芳烴與芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，具有價(jià)廉易得、反應(yīng)條件溫和、容易分離、后處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

[1]GROCHOWSKI E，HILTON B D，KUPPER R J，et al.Mechanism of the triphenylphosphine and diethyl azodicarboxylate induced dehydration reactions （Mitsunobu reaction）.The central role of pentavalent phosphorus intermediates[J］.Journal of A－merican Chemical Society，1982，104（24）：6876－6877.

[2]NISHIDA Y，SHINGU Y，DOHI H，et al.One－potα－glycosylation method using appel agents in N，N－dimethylformamide[J］.Organic Letters，2003，5（14）：2377－2380.

[3]HERRMANN W A，BOHM V P W，REISINGER C P.Application of palladacycles in Heck type reactions[J］.Journal of Organometallic Chemistry，1999，576（1－2）：23－41.

[4]CHARETTE A B，BOEZIO A A，JANES M K.Synthesis of a triphenylphosphine reagent on non－cross－linked polystyrene support：Application to the Staudinger／Aza－Wittig reaction[J］.Organic Letters，2000，2（24）：3777－3779.

[5]LEADBEATER N E，MACRO M.Preparation of polymer－supported ligands and metal complexes for use in catalysis[J］.Chemical Reviews，2002，102（10）：3217－3274.

[6]BERGBREITER D E，YANG Y C，HOBBS C E.Polyisobutylenesupported phosphines as recyclable and regenerable catalysts and reagents[J］.Journal of Organic Chemistry，2011，76（16）：6912－6917.

[7]CIRTIU C M，DUNLOP－BRIERE A F，MOORES A.Cellulose nanocrystallites as an efficient support for nanoparticles of palladium：Application for catalytic hydrogenation and Heck coupling under mild conditions[J］.Green Chemistry，2011，13（2）：288－291.

[8]XU Y，XUE M，LI J，et al.Synthesis of a cellulose xanthate supported palladium（0）complex and its catalytic behavior in the Heck reaction[J］.Reaction Kinetics，Mechanisms and Catalysis，2010，100（2）：347－353.

[9]REDDY K R，KUMAR N S，REDDY P S，et al.Cellulose supported palladium（0）catalyst for Heck and Sonogashira coupling reactions[J］.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2006，252（1－2）：12－16.

[10]MOLNAR A，PAPP A.The use of polysaccharides and derivatives in palladium－catalyzed coupling reactions[J］.Catalysis Science ＆ Technology，2014，4（2）：295－310.

[11]袁士義，劉尚奇，張義堂，等.熱水添加氮?dú)馀菽?qū)提高稠油采收率研究[J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25（1）：57－61.

[12]YOKOI H，MAKI R，HIROSE J.Microbial production of hydrogen from starch－manufacturing wastes[J］.Biomass ＆ Bioenergy，2002，22（5）：389－395.

[13]PATRUYO L G，MULLER A J，SAEZ A E.Shear and extensional rheology of solutions of modified hydroxyethyl celluloses and sodium dodecyl sulfate[J］.Polymer，2002，43（24）：6481－6493.

[14]蔡永紅，許英，張磊，等.羥乙基纖維素負(fù)載鈀催化劑的制備及對(duì)Heck反應(yīng)的催化性能[J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，38（5）：474－478.

[15]黃少銘，何炳林.高聚物擔(dān)載膠態(tài)鈀催化劑的一步法合成[J］.中國(guó)科學(xué)（B輯），1993，23（1）：20－25.

[16]徐艷軍，王曉霞，魏玉萍.纖維素負(fù)載三苯膦－鈀復(fù)合物催化劑的合成及其對(duì)Heck偶聯(lián)反應(yīng)的催化性能研究[J］.化學(xué)與生物工程，2014，31（1）：43－46.