連續(xù)流動狀態(tài)下纖維負(fù)載Pd（Ⅱ）催化Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的研究

陸思雨，謝嘉欣，闞秀妹，陶庭先，吳之傳

（安徽工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 功能配合物材料化學(xué)與應(yīng)用安徽省重點(diǎn)實驗室，安徽 蕪湖 241000）

Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建C—C 鍵最直接有效的方法，直接使用活潑性很低的烯烴或鹵代烯烴、芳基鹵化物等基本原料進(jìn)行反應(yīng)，合成步驟簡單，是最具應(yīng)用價值的方法之一［1-2］。目前為止，對Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)催化劑活性中心金屬的篩選、活化配體的設(shè)計合成、反應(yīng)條件的優(yōu)化等研究取得了卓有成效的成果［3-5］。

近年來，連續(xù)流動化學(xué)成為合成領(lǐng)域的新興熱點(diǎn)，它具有更優(yōu)的傳熱和傳質(zhì)性能、更高的效率、更好的反應(yīng)控制性和安全性、更佳的反應(yīng)可重現(xiàn)性且可評估更多的反應(yīng)變化因素，因此將Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)與連續(xù)流動化學(xué)相結(jié)合成為研究的熱點(diǎn)［6-8］。Reynolds 等［9］用改性二氧化硅多聚物負(fù)載Pd 金屬納米顆粒催化劑，在連續(xù)流動狀態(tài)下催化Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，碘苯乙酮的轉(zhuǎn)化率高于95.93%，最佳停留時間為9.1 min，催化劑連續(xù)使用50 h 活性無明顯降低。李銀昊［10］使用Pd 含量為1.8 mmol/g 的自負(fù)載氮雜環(huán)卡賓催化劑，利用自制微通道數(shù)增反應(yīng)器考察了催化劑用量、停留時間、底物濃度等工藝條件。實驗結(jié)果表明，催化劑對溴代芳烴具有很強(qiáng)的活性，轉(zhuǎn)化率接近100%，催化效率比傳統(tǒng)釜式反應(yīng)提高了5 倍多。Ricciardi 等［11］將Pd 納米粒子固定在樹枝狀大分子聚合物上，用毛細(xì)管作為微反應(yīng)通道，在80 ℃下催化碘苯與對羥基苯硼酸反應(yīng)，考察了催化劑的穩(wěn)定性，在連續(xù)運(yùn)行7 d 后Pd的浸出量為1.2 mg/L。然而目前的連續(xù)流動Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)催化劑大多存在制備方法復(fù)雜、原料成本高、對空氣或水敏感的缺點(diǎn)，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

本工作以偕胺肟化聚丙烯腈纖維（AOFs）為載體負(fù)載Pd（Ⅱ），制備了AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑。該制備方法簡單，纖維既作為配體又作為載體，具有對底物適用性廣、反應(yīng)條件溫和、對空氣和水分穩(wěn)定、便于分離處理的優(yōu)點(diǎn)。研究了連續(xù)流動條件下AOFs-Pd（Ⅱ）對Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的催化性能，考察了反應(yīng)溫度、反應(yīng)物流量、反應(yīng)物濃度以及鹵代芳烴適應(yīng)性對偶聯(lián)產(chǎn)物的收率與產(chǎn)量的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

聚丙烯腈纖維：中國石化安慶分公司；無水K2CO3和PdCl2：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鹽酸羥胺（NH2OH·HCl）、Na2CO3、苯硼酸、碘苯、4-甲基碘苯、4-甲氧基碘苯、4-碘苯胺、4-碘苯乙酮、4-硝基碘苯、溴苯、4-甲基溴苯、4-溴苯胺、4-溴苯乙酮、4-溴苯甲酸、乙酸乙酯、石油醚、乙醇：分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；溴化鉀、CS2：光譜純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

Agilent 730 型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、Agilent 8890 型氣相色譜儀：美國安捷倫科技有限公司；S-4800 型掃描電子顯微鏡、S-4800 型X 射線能譜儀：日本日立公司；K-alpha 型X 射線光電子能譜儀：德國賽默飛世爾公司；FTIR-650 型傅里葉變換紅外光譜儀：天津港東科技發(fā)展股份有限公司；Bruker AV 500M 型核磁共振譜儀：德國Bruker 公司。

1.2 催化劑的制備

用Na2CO3和NH2OH·HCl配制0.8 mol/L 的NH2OH 溶液，加入1 g 聚丙烯腈纖維，在63 ℃下振蕩反應(yīng)1.5 h，取出后用蒸餾水清洗直到pH=7，自然晾干，得到白色或淺黃色的AOFs［12］。

稱取1 g 的AOFs，在室溫條件下與0.33 mmol/L 的PdCl2溶液反應(yīng)30 min，取出后用蒸餾水洗凈，晾干，得到金黃色AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑［13］，反應(yīng)過程見式（1）。經(jīng) ICP-OES 測試得到AOFs-Pd（Ⅱ）中金屬Pd 的含量為0.006 8 g/g。

1.3 催化劑的表征

將AOFs 和AOFs-Pd（Ⅱ）用剪刀剪成粉末，分別取適量粉末與溴化鉀研磨均勻，用壓片機(jī)壓成透明薄片，進(jìn)行FTIR 表征。將AOFs-Pd（Ⅱ）于150 ℃下加熱硝化去碳至完全溶解后，加入超純水，冷卻，轉(zhuǎn)移，定容，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Pd（Ⅱ）的濃度，從而得到Pd 的負(fù)載量。將AOFs-Pd（Ⅱ）剪碎，使用高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察催化劑的微觀形貌和顆粒分布等情況。將反應(yīng)前和反應(yīng)后的AOFs-Pd（Ⅱ）剪碎，使用X射線能譜儀對纖維表面微區(qū)成分進(jìn)行定性分析。將剪碎的AOFs-Pd（Ⅱ）壓成薄片，使用X 射線光電子能譜儀確定纖維與Pd（Ⅱ）的結(jié)合方式。

1.4 鹵代芳烴與苯硼酸的偶聯(lián)反應(yīng)

鹵代芳烴與苯硼酸的偶聯(lián)反應(yīng)為模板反應(yīng)，見式（2）。

稱取定量鹵代芳烴、苯硼酸、K2CO3于燒瓶中，加入乙醇-水（乙醇與水體積比為2∶1）溶劑，配制一定濃度的反應(yīng)液待用。稱取定量AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑裝入催化柱中，封裝好后裝入連續(xù)流動反應(yīng)裝置中，加熱催化柱，通過蠕動泵將配制好的反應(yīng)液按一定流量順流泵入催化柱內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)。收集反應(yīng)后的溶液，取少量溶液用無水MgSO4脫水，經(jīng)CS2稀釋后用氣相色譜儀進(jìn)行分析。分析條件：色譜柱HP-5（30 m×0.25 mm×0.25 μm），以CS2為溶劑，壓力120 kPa，進(jìn)樣口溫度270 ℃，F(xiàn)ID檢測溫度210 ℃，尾吹流量30 mL/min，氫氣流量40 mL/min，空氣流量400 mL/min，吹掃流量3 mL/min，分流比20∶1；柱溫采用程序升溫，升溫速率10 ℃/min，從150 ℃升到210 ℃。粗產(chǎn)物蒸去乙醇后用乙酸乙酯萃取濃縮，采用柱層析分離技術(shù)純化試樣，取少量純化試樣進(jìn)行1H NMR 分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的表征結(jié)果

2.1.1 FTIR 表征結(jié)果

AOFs 與AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的FTIR 譜圖見圖1。

圖1 AOFs 與AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的FTIR 譜圖Fig.1 FTIR spectra of AOFs and AOFs-Pd(Ⅱ).

由圖1 可知，AOFs 在2 243，1 649，1 081，920 cm-1處有明顯的吸收峰，分別對應(yīng)C≡N，C=N，C—N，N—O 的伸縮振動［14］。AOFs-Pd（Ⅱ）在1 661，1 095，930 cm-1處的吸收峰分別為C=N，C—N，N—O 的特征峰，相對于AOFs，分別向高波數(shù)方向移動了12，14，10 cm-1，說明AOFs 中的—NH2和—OH 與Pd（Ⅱ）發(fā)生了配位反應(yīng)，引起上述特征峰發(fā)生偏移［15］。綜上可知，Pd（Ⅱ）與AOFs 的—NH2和—OH 官能團(tuán)發(fā)生了配位生成了配合物AOFs-Pd（Ⅱ）。

2.1.2 XPS 表征結(jié)果

圖2 為AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的XPS 譜圖。由圖2a 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑中存在C，N，O，Pd 元素。由圖2b 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）中Pd（Ⅱ）3d5/2的結(jié)合能為337.76 eV，較PdCl2中Pd（Ⅱ）3d5/2的結(jié)合能（337.92 eV）［16］低0.16 eV，說明Pd（Ⅱ）的電子云密度增大。由圖2c可知，AOFs-Pd（Ⅱ）的N 1s有兩組結(jié)合能，為399.92，400.87 eV，均比AOFs 的N 1s結(jié)合能（399.26，400.51 eV）［17］高，說明N 電子云密度降低。由圖2d 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）的O 1s結(jié)合能為533.28 eV，比AOFs 的O 1s結(jié)合能（532.37 eV）［17］高0.91 eV，說明O 電子云密度降低。綜合分析Pd（Ⅱ），N，O 電子云密度的變化可知，Pd（Ⅱ）與AOFs 發(fā)生了配位，—OH 和—NH2中O 和N 分別向Pd（Ⅱ）提供電子導(dǎo)致它們的電子云密度降低，結(jié)合能增大；Pd（Ⅱ）接受孤對電子，導(dǎo)致電子云密度增大，結(jié)合能變小。

圖2 AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的XPS 譜圖Fig.2 XPS spectra of AOFs-Pd (Ⅱ).

2.1.3 SEM 和EDS 表征結(jié)果

將AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑用于碘苯與苯硼酸的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)前后AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的SEM 照片和EDS 譜圖見圖3。由圖3a 可見，反應(yīng)前AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑表面光滑，無顆粒物質(zhì)存在，展現(xiàn)出纖維特有的紋理，并通過EDS 證明了纖維表面含有Pd（見圖3c）；由圖3b可見，反應(yīng)后AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的表面變得粗糙，有大量顆粒物質(zhì)生成，結(jié)合EDS 表征結(jié)果（圖3d），顆粒物被證實為Pd。反應(yīng)機(jī)理研究結(jié)果表明［18］，AOFs-Pd（Ⅱ）催化的鹵代芳烴與苯硼酸的偶聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)過插入加成和還原消除步驟，是Pd（Ⅱ）與Pd（0）交替轉(zhuǎn)化的催化循環(huán)過程，反應(yīng)后纖維表面出現(xiàn)的顆粒物質(zhì)應(yīng)為Pd（0）。

圖3 反應(yīng)前后AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑的SEM 照片和EDS 譜圖Fig.3 SEM images and EDS spectra of the AOFs-Pd (Ⅱ) before and after reaction.

2.2 反應(yīng)條件對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響

2.2.1 溫度的影響

采用碘苯與苯硼酸的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)考察溫度對反應(yīng)的影響。取AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑2 g裝入催化劑柱內(nèi)，以乙醇-水為溶劑配制碘苯（20 mmol/L）、苯硼酸（22 mmol/L）和K2CO3（22 mmol/L）的混合溶液，反應(yīng)溫度分別設(shè)置為40，50，60，70，80 ℃，通過蠕動泵以2 mL/min（即停留時間為10.0 min）的流量泵入催化劑通道進(jìn)行連續(xù)流動反應(yīng)，表1 為反應(yīng)溫度對連續(xù)流動Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的影響。由表1 可知，在催化劑用量、反應(yīng)物流量、碘苯與苯硼酸摩爾比一定的情況下，偶聯(lián)產(chǎn)物收率隨溫度的升高而增加，70 ℃時收率達(dá)到97%（w），故選擇70 ℃為連續(xù)流動反應(yīng)最佳溫度。達(dá)到相同的收率，間歇式反應(yīng)溫度需要達(dá)到90 ℃［18］，說明連續(xù)流動反應(yīng)具有更加優(yōu)異的傳熱性能。

表1 反應(yīng)溫度對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響Table 1 Effect of reaction temperature on continuous flow Suzuki coupling reaction

2.2.2 反應(yīng)物流量的影響

采用碘苯與苯硼酸的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)考察反應(yīng)物流量對反應(yīng)的影響。固定AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑用量2 g，設(shè)定反應(yīng)溫度為70 ℃，將配制好的碘苯（20 mmol/L）、苯硼酸（22 mmol/L）和K2CO3（22 mmol/L）的混合溶液通過蠕動泵泵入催化劑通道中進(jìn)行連續(xù)流動反應(yīng)，流量分別設(shè)定為2，3，4，5，10，20 mL/min，表2 為反應(yīng)物流量對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響。

表2 反應(yīng)物流量對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響Table 2 Effect of flow rate on continuous flow Suzuki coupling reaction

由表2 可知，反應(yīng)物流量對反應(yīng)的影響比較明顯。隨著流量的增大，停留時間縮短，偶聯(lián)產(chǎn)物產(chǎn)量逐漸增大，收率逐漸降低。當(dāng)流量為3 mL/min 時，偶聯(lián)產(chǎn)物產(chǎn)量為0.058 mmol/min，收率達(dá)97%（w）。雖然流量為4 mL/min 時，偶聯(lián)產(chǎn)物產(chǎn)量為0.068 mmol/min，較流量為3 mL/min 時稍高，但收率為85%（w），即反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率低。綜合考慮產(chǎn)量和反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率，選擇3 mL/min 為反應(yīng)的最佳流量，即停留時間為6.67 min。

2.2.3 鹵代芳烴濃度的影響

采用碘苯與苯硼酸的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)考察鹵代芳烴濃度對反應(yīng)的影響。取AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑2 g，設(shè)定反應(yīng)溫度為70 ℃，反應(yīng)物流量為3 mL/min，配 制5，10，20，40，60，70，80 mmol/L的碘苯溶液，相應(yīng)的苯硼酸及碳酸鉀的濃度均為5.5，11.0，22.0，44.0，66.0，77.0，88.0 mmol/L，通過蠕動泵泵入催化劑通道進(jìn)行連續(xù)流動反應(yīng)，表3 為反應(yīng)物濃度對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響。由表3 可知，碘苯濃度低于60 mmol/L 時，收率均保持在95%（w）以上；碘苯濃度為60 mmol/L 時，偶聯(lián)產(chǎn)物產(chǎn)量達(dá)0.173 mmol/min；當(dāng)?shù)獗綕舛雀哂?0 mmol/L 時，偶聯(lián)產(chǎn)物產(chǎn)量雖有所增加，但收率逐漸降低，即碘苯的轉(zhuǎn)化率降低。綜合考慮產(chǎn)量和鹵代芳烴轉(zhuǎn)化率，選擇60 mmol/L 為鹵代芳烴的最適合濃度，相應(yīng)的苯硼酸濃度為66.0 mmol/L。

表3 鹵代芳烴濃度對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響Table 3 Effect of reactant concentration on continuous flow Suzuki coupling reaction

2.2.4 鹵代芳烴種類的影響

反應(yīng)底物的普適性是考察催化劑活性的重要指標(biāo)之一，選用不同的鹵代芳烴進(jìn)行連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)。固定AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑2 g，設(shè)定反應(yīng)溫度為70 ℃，鹵代芳烴流量為3 mL/min，配制濃度為60.0 mmol/L 的鹵代芳烴溶液，苯硼酸與K2CO3的濃度均為66.0 mmol/L，通過蠕動泵泵入催化劑通道中進(jìn)行連續(xù)流動反應(yīng)，得到的粗產(chǎn)物蒸去乙醇后用乙酸乙酯萃取濃縮，采用柱層析分離技術(shù)純化試樣，取少量產(chǎn)物純樣進(jìn)行1H NMR 分析，表4 為不同取代基團(tuán)對Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的影響。

表4 鹵代芳烴的不同取代基團(tuán)對連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)的影響Table 4 Effects of different substituted groups of halogenated aromatic hydrocarbons on the continuous flow Suzuki coupling reactions

由表4 可知，AOFs-Pd（Ⅱ）對碘代芳烴和溴代芳烴與苯硼酸的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)均表現(xiàn)出了很高的催化活性，無論是吸電子基（—COOH，—COCH3，—NO2）衍生物，還是給電子基（—CH3，—NH2，—OCH3）衍生物，偶聯(lián)產(chǎn)物收率均超過90%（w）。其中，碘苯的轉(zhuǎn)化率為97%，偶聯(lián)產(chǎn)物收率為96%，偶聯(lián)產(chǎn)物選擇性達(dá)99%。

2.3 催化劑的穩(wěn)定性

在催化劑穩(wěn)定性實驗中，設(shè)定碘苯流量為3 mL/min，催化劑在流動相中連續(xù)使用20 h，偶聯(lián)產(chǎn)物收率仍達(dá)到93%（w），裝填的催化劑活性無明顯下降。為檢測流動狀態(tài)下金屬Pd 的流失，采用ICP-OES 測定催化劑連續(xù)使用20 h 后產(chǎn)物溶液中的Pd 含量，Pd 質(zhì)量濃度為0.07 mg/L，可以忽略Pd 的流失（損失率小于2%），證實了催化劑在連續(xù)流動反應(yīng)中優(yōu)異的穩(wěn)定性。

2.4 與間歇式反應(yīng)的對比

AOFs-Pd（Ⅱ）催化碘苯與苯硼酸進(jìn)行Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，與間歇式反應(yīng)相比，連續(xù)流動反應(yīng)有更佳的傳熱性能，只需70 ℃就能達(dá)到相同收率，較間歇式反應(yīng)溫度（90 ℃）低，減少了能源消耗。間歇式反應(yīng)催化劑可循環(huán)使用4 次［18］，耗時20 h，偶聯(lián)產(chǎn)物總產(chǎn)量為38.0 mmol，單位時間產(chǎn)量為1.90 mmol/h，使用催化劑Pd 總含量為0.007 g，Pd 催化活性為271.43 mmol/（g·h）；而連續(xù)流動反應(yīng)的催化劑連續(xù)使用20 h，偶聯(lián)產(chǎn)物總產(chǎn)量為194.47 mmol，單位時間產(chǎn)量為9.72 mmol/h，使用催化劑Pd 總含量為0.014 g，Pd 催化活性為694.29 mmol/（g·h），是間歇式反應(yīng)的2.6 倍，產(chǎn)量也有大幅提升，充分體現(xiàn)了連續(xù)流動反應(yīng)具有更好的傳質(zhì)性能，極大提高了反應(yīng)效率，具有工業(yè)化應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

1）采用聚丙烯腈纖維，經(jīng)NH2OH 溶液改性，制備了具有配位能力的AOFs，再與一定濃度的PdCl2溶液反應(yīng)，制備了AOFs-Pd（Ⅱ）催化劑。

2）AOFs-Pd（Ⅱ）對連續(xù)流動狀態(tài)下鹵代芳烴與苯硼酸的Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)具有良好的催化性能，在反應(yīng)溫度70 ℃、反應(yīng)物流量3 mL/min、鹵代芳烴濃度60.0 mmol/L 條件下，偶聯(lián)產(chǎn)物收率均超過90%（w）。

3）連續(xù)流動狀態(tài)下，AOFs-Pd（Ⅱ）的催化效率是間歇式反應(yīng)的2.6 倍。

4）AOFs 由聚丙烯腈纖維改性制備，原料價廉易得，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求，AOFs-Pd（Ⅱ）催化連續(xù)流動Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)具有工業(yè)化應(yīng)用前景。