一種鈀鎂鋁類水滑石催化Suzuki交叉偶聯反應的方法與流程

2023-05-25 10:27:22 2

本發明屬於有機合成新技術領域，具體涉及一種鈀鎂鋁類水滑石催化Suzuki交叉偶聯反應的方法。

背景技術：

聯苯衍生物是一類重要的精細化工中間體,已被廣泛用於藥物、染料、有機導體、半導體和液晶材料等領域((a)Hassan,J.；Sevignon,M.；Gozzi,C.；Schulz,E.；Lemaire,M.Chem.Rev.2002,102,1359-1470.)。鈀催化的各種滷代芳烴與芳基硼酸的Suzuki交叉偶聯反應是合成該類化合物的重要方法之一((a)Suzuki,A.J.Organomet.Chem.2002,653,83-90.(b)Littke,A.F.；Fu,G.C.Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,4176-4211.(c)Suzuki,A.J.Organomet.Chem.1999,576,147-168.)。在Suzuki交叉偶聯反應中，通常採用均相催化劑來提高催化效率和反應選擇性。然而，均相催化劑難以回收再利用，導致貴金屬鈀大量流失。催化劑的分離困難，殘留的鈀必然會對產物造成汙染。因此,設計合成活性高、選擇性好、易於回收的負載型催化劑用於催化Suzuki交叉偶聯反應具有重要意義。

為此，近年來人們開發了各種載體來製備新型鈀催化劑，主要包括：活性碳、金屬氧化物、矽鋁酸鹽微孔分子篩、二氧化矽材料、活性粘土以及聚合物等((a)Seki,M.Synthesis2006,2975-2992.(b)Kitamura,Y.；Sako,S.；Tsutsui,A.；Monguchi,Y.；Maegawa,T.；Kitade Y.；Sajiki,H.Adv.Synth.Catal.2010,352,718-730.(c)Hu,M.G.；An,Z.W.；Du,W.S.；Li,J.；Gao,A.A.Chin.J.Chem.2007,25,1183-1186.(d)Liu,S.Y.；Li,H.Y.；Shi,M.M.；Jiang,H.；Hu,X.L.；Li,W.Q.；Fu,L.；Chen,H.Z.Macromolecules 2012,45,9004-9009.(e)Shylesh,S.；Schünemann,V.；Thiel,W.R.Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,3428-3459.(f)Grirrane,A.；Garcia,H.；Corma,A.J.Catal.2013,302,49-57.)。研究表明，這些負載型鈀催化劑不僅具有較高的催化活性和選擇性，而且可以回收重複利用，較好地克服了均相催化劑的不足。

然而，目前這類負載型鈀催化劑依然存在合成步驟複雜、催化反應條件苛刻、循環利用效率不高、汙染產物和環境等缺點，限制了其應用範圍。因此，需要開發製備工藝簡單、循環利用效率高的負載型鈀催化劑用於Suzuki交叉偶聯反應。

水滑石(Layered Double Hydroxides,簡稱LDHs)是一類具有典型層狀結構的複合金屬氫氧化物，因其獨特的結構和性能而成為一類極具研究潛力和應用前景的新型材料，在離子交換、吸附、醫藥、功能材料，尤其在超分子組裝和催化領域得到了廣泛的應用((a)Wang,Q.；O'Hare,D.Chem.Rev.2012,112,4124-4155.(b)He,S.；An,Z.；Wei,M.；Evans,D.G.；Duan,X. Chem.Commun.2013,49,5912-5920.(c)Xu,Z.P.；Zhang,J.；Adebajo,M.O.；Zhang,H.；Zhou,C.H.Appl.Clay Sci.2011,53,139-150.(d)Fan,G.L.；Li,F.；Evans,D.G.；Duan,X.Chem.Soc.Rev.2014,43,7040-7066.(e)Li,C.M.；Wei,M.；Evans,D.G.；Duan,X.small 2014,10,4469-4486.)。基於水滑石的模板效應及其中空結構特點來製備負載型催化劑，可有效分散催化位點，提高催化效率。但目前以水滑石為載體的鈀催化劑用於Suzuki交叉偶聯反應的研究並不多，而且是通過簡單吸附、浸漬等方法製備，使鈀在載體上的穩定性差，導致鈀對末端產品和環境的汙染。因此，需要繼續發展新的技術改善鈀在載體上的穩定性，在保證催化活性的同時，能有效降低鈀的流失，解決其對產品和環境的汙染問題。

技術實現要素：

本發明旨在針對上述技術分析中存在的問題，發展了一種利用鈀鎂鋁類水滑石催化Suzuki交叉偶聯反應的新方法。該方法採用雙滴共沉澱技術將Pd(II)直接鍵合在水滑石的板層上，製備了PdMgAl-LDH類水滑石催化劑，在綠色反應條件下，高效催化Suzuki交叉偶聯反應。與現有技術比較，該方法可有效降低Pd在反應過程中的流失，減少Pd對末端產品和環境的汙染。特別是PdMgAl-LDH類水滑石催化劑製備、再生簡單，可循環利用，經濟高效，環境友好。

本發明採用如下技術方案：

本發明提供了一種鈀鎂鋁類水滑石催化Suzuki交叉偶聯反應的方法，其特點是：以滷代芳烴和芳基硼酸為原料，以PdMgAl-LDH類水滑石為催化劑，在相轉移催化劑、鹼、添加劑和溶劑存在的條件下反應生成聯苯類化合物，所述催化劑的特點是：鈀直接鍵合在水滑石的板層上，分布均勻、穩定性好。優選的，採用雙滴共沉澱技術製備結構完整的所述PdMgAl-LDH類水滑石催化劑。所述滷代芳烴包括碘代、溴代和氯代芳烴。

其反應式如下：

其中Ar和Ar』為苯基，甲基、甲氧基、乙醯基、硝基取代苯基或吡啶、嘧啶等芳香雜環基；X為I、Br、Cl等。

採用雙滴共沉澱技術製備不同鈀含量的所述PdMgAl-LDH類水滑石催化劑，該催化劑結晶良好。優選的，所述雙滴共沉澱方法的具體步驟如下：將金屬硝酸鹽混合溶液(A)和鹼溶液(B)同時滴加到反應器中，維持反應體系中的pH為9.3～9.8(優選9.5)，滴加完畢，將所得反應體系在95～105℃(優選100℃)陳化10～15h，過濾、洗滌、乾燥後得到PdMgAl-LDH類水滑石。

優選的，所述乾燥後進一步研磨過篩得到PdMgAl-LDH類水滑石催化劑。

優選的，所述金屬硝酸鹽混合溶液(A)是Pd(NO3)2、Mg(NO3)2和Al(NO3)3的混合溶液，其中，所述金屬硝酸鹽混合溶液中的二價金屬離子(M2+)和三價金屬離子(M3+)的摩爾比為3:1；所述鹼溶液(B)為NaOH、Na2CO3組成的混合溶液。

按照此方法，合成的鈀鎂鋁類水滑石催化劑PdMgAl-LDH，其中Pd(II)直接鍵合在水滑石的板層上；優選的，從催化效果來看，Pd在催化劑總重量中佔0.10％～4.00％，進一步優選的，Pd在催化劑總重量中佔為0.50％～3.00％(w/w)。

優選的，所述反應採用的鹼為碳酸鉀。

優選的，所述相轉移催化劑為季銨鹽；進一步優選的季銨鹽為十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)。

優選的，所述溶劑為水、乙醇、甲苯中的一種或兩種的組合，進一步優選的溶劑為水。

優選的，所述添加劑為抗壞血酸鈉，其中，抗壞血酸鈉將水滑石板層上的Pd2+原位還原為Pd0，高效催化Suzuki交叉偶聯反應。

進一步優選的，當氯代芳烴與芳基硼酸偶聯反應時，需加入添加劑乙二胺四乙酸二鈉(Na2H2EDTA)。

優選的，所述催化劑的用量(以Pd2+計)為滷代芳烴的0.20mol％～1.00mol％。其他反應原料的用量可以根據常規Suzuki反應以及實際情況進行確定和調整。

優選的，從該反應合成化合物的效率來看，所述反應溫度為室溫至80℃。

優選的，從該反應合成化合物的效率來看，所述反應時間為1～48h。

優選的，催化劑至少可以套用7次，活性基本保持不變。

優選的，PdMgAl-LDH催化劑失活後，可經簡單的酸鹼處理使其再生，其結構形態與催化活性保持不變。

本發明所製備的PdMgAl-LDH催化劑，其催化Suzuki交叉偶聯反應的活性採用以下程序進行評價：

取一定量的PdMgAl-LDH催化劑，以3.0mL水為溶劑，2.00mmol碳酸鉀為鹼，0.10mmol CTAB為相轉移催化劑，0.01mmol抗壞血酸鈉為添加劑，加入1.00mmol滷代芳烴和1.10mmol芳基硼酸，在N2氛下於80℃催化反應。薄層層析跟蹤，反應結束後分離目標產物。

本發明還提供一種鈀鎂鋁類水滑石作為催化劑在催化Suzuki交叉偶聯反應中的應用，其特點是：所述鈀鎂鋁類水滑石採用上述雙滴共沉澱的方法製備得到。

本發明提供的PdMgAl-LDH催化劑在催化Suzuki交叉偶聯反應中的應用，摒棄了傳統 水滑石負載鈀催化劑的製備方法(即首先製備水滑石，然後再將鈀通過簡單吸附或浸漬等方法負載到水滑石上)，採用雙滴共沉澱技術將鈀直接鍵合在水滑石的板層上，不僅鈀的分布均勻、穩定性好，而且簡化了催化劑的製備步驟。本發明提供的PdMgAl-LDH催化劑與傳統水滑石負載鈀催化劑在結構上具有很大不同，應用在Suzuki交叉偶聯反應中，既保證了催化活性，又有效降低了Pd的流失、減少了其對末端產品和環境的汙染。

本發明還提供一種催化劑再生的方法，其特點是：包含將失活的催化劑經過酸鹼處理再生的步驟。優選的，催化劑再生方法的具體步驟如下：將失活的PdMgAl-LDH催化劑先用乙醇洗滌清除有機殘留物，再用硝酸溶液硝解得到金屬硝酸鹽混合溶液，然後和鹼溶液同時滴加到反應器中，維持反應體系中的pH為9.3～9.8，滴加完畢，將所得反應體系在95～105℃陳化10～15h，過濾、洗滌、乾燥、研磨後得再生PdMgAl-LDH類水滑石催化劑。該催化劑的再生方法操作簡單，再生的催化劑結構形態與催化活性保持不變。

優選的，採用熱乙醇洗滌清除有機殘留物。

優選的，所述硝酸溶液的質量分數為20％。

本發明的有益效果是：

本發明採用雙滴共沉澱技術製備PdMgAl-LDH類水滑石催化劑，最顯著的特點是將Pd(II)直接鍵合至水滑石的板層上，有效提高了鈀在水滑石中的穩定性，實現了綠色高效催化Suzuki交叉偶聯反應，不僅減少了鈀在反應中的流失，而且降低了鈀對末端產品和環境的汙染。該類催化劑製備工藝簡單，可重複使用，操作簡便，生產效率高。特別是催化劑失活後，可經簡單的酸鹼處理使其再生，催化活性保持不變，大大提高了貴金屬鈀的利用效率。

附圖說明

圖1是催化劑PdMgAlLDH-1(a),PdMgAl-LDH-2(b)和PdMgAl-LDH-3(c)的XRD譜圖。

圖2是PdMgAl-LDH-1(a),PdMgAl-LDH-2(b)和PdMgAl-LDH-3(c)的TEM譜圖。

圖3是水滑石催化劑PdMgAl-LDH-1的EDX譜圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明，本發明的實施例僅用於說明本發明的技術方案，而不用於限定本發明的範圍。

實施例1

催化劑PdMgAl-LDH-1(0.50％Pd,w/w)的製備：

稱取Mg(NO3)2·6H2O(4.590g,17.90mmol)、A1(NO3)3·9H2O(2.251g,6.00mmol)、Pd(NO3)2·6H2O(0.027g,0.10mmol)、HNO3(0.10mol/L,1mL)溶於12.0mL去離子水中， 配成混合鹽溶液(A)；NaOH(1.540g,38.50mmol)、Na2CO3(1.272g,12.00mmol)溶於12.0mL去離子水中，配置鹼溶液(B)。將(A)和(B)兩種溶液同時慢慢滴加到盛有9.0mL去離子水的三口圓底燒瓶中，劇烈攪拌，控制滴加速度，保持pH＝9.5。滴加結束，在100℃水浴中陳化13h，過濾，固體水洗至中性，110℃乾燥24h，得到灰色固體2.012g，研細、過篩備用。

實施例2

催化劑PdMgAl-LDH-2(2.58％Pd,w/w)的製備：

稱取Mg(NO3)2·6H2O(4.487g,17.50mmol)、A1(NO3)3·9H2O(2.251g,6.00mmol)、Pd(NO3)2·6H2O(0.133g,0.50mmol)、HNO3(0.10mol/L,1.0mL)配置鹽溶液(A)；NaOH(1.540g,38.50mmol)、Na2CO3(1.272g,12.00mmol)配置鹼溶液(B)，後續步驟同實施例1，得到灰色粉末2.012g。

實施例3

催化劑PdMgAl-LDH-1再生製備PdMgAl-LDH-3：

首先把套用10次反應(參見實施例4)後失活的催化劑PdMgAl-LDH-1(2.000g,0.46％Pd,w/w)用熱乙醇洗滌清除有機殘留物，然後將催化劑用11.0mL 20％的硝酸硝解，得到澄清溶液(A)；NaOH(3.200g,80.00mmol),Na2CO3(1.272g,12.00mmol)配置鹼溶液(B)。後續步驟同實施例1，得PdMgAl-LDH-3催化劑1.966g，灰色粉末，其中含0.44％Pd(w/w)。

從PdMgAl-LDH的XRD譜圖(圖1)可以看出，2θ＝11.6、23.2、34.8、60.5和62.0°附近均呈現出水滑石的特徵衍射峰，與LDHs標準譜(JCPDS 51-1525)比較，XRD各個衍射峰強度大，峰形尖銳，對稱性好，表明製備和再生的催化劑結晶度較好；沒有其他雜質峰存在，說明催化劑純度高。

從表1的晶胞參數a、c可以看出隨著Pd含量的增加，晶胞參數a增加，表明層板上金屬離子之間的距離加大，原子的排列密度降低。原因是Pd2+的離子半徑較大，進入層板結構，撐大了層板上八面體，使層板發生扭曲所致。從PdMgAl-LDH的TEM譜圖(圖2)可以看出，板層上插入少量Pd後，水滑石仍呈不規則的扁平圓片狀，直徑約為50～150nm。PdMgAl-LDH的EDX譜圖(圖3)表明Pd已經引入水滑石板層。

表1 PdMgAl-LDH催化劑的結構參數

a a＝2d110.b c＝3d003.

實施例4

碘苯與苯硼酸反應製備聯苯及催化劑的套用：

在裝有磁子的兩口圓底燒瓶中，加入催化劑PdMgAl-LDH-1(43mg，0.20mol％Pd)、抗壞血酸鈉(2mg，0.01mmol)、碳酸鉀(256mg，2.00mmol)、CTAB(36mg，0.10mmol)、苯硼酸(134mg，1.00mmol)，N2氣置換後，依次加入碘苯(0.11mL，1.00mmol)、水(3.0mL)。N2氣氛下緩慢升溫至80℃，TLC跟蹤反應。反應2h結束後，用砂芯漏鬥濾出催化劑，用乙酸乙酯洗滌催化劑，合併有機相併用飽和食鹽水洗至中性，無水MgSO4乾燥，減壓蒸除溶劑，剩餘物柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:20，Rf＝0.6)，得白色固體144mg,產率93％，m.p.:69-70℃.IR(neat,cm-1)νmax:1569,1470,723,688.1H NMR(300MHz,CDCl3,TMS):δ7.61(d,J＝6.90Hz,4H,ArH),7.46(t,J＝7.35Hz,4H,ArH),7.36(t,J＝7.35Hz,2H,ArH).13C NMR(75MHz,CDCl3,TMS):δ141.30,128.80,127.30,127.22.HR-MS(APCI):m/z[M+H]+:calcd for C12H11:155.0861,found:155.0866.

將催化劑PdMgAl-LDH-1按上述步驟重複套用7次，產率分別為94％、93％、93％、92％、90％、89％和88％，活性基本保持不變。

實施例5

溴苯與苯硼酸反應製備聯苯：

製備方法同實施例4，改用溴苯(0.10mL，1.00mmol)代替碘苯。反應12h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:20，Rf＝0.6)，得白色固體139mg,產率90％。表徵數據同實施例4。

實施例6

氯苯與苯硼酸反應製備聯苯：

在裝有磁子的兩口圓底燒瓶中，加入催化劑PdMgAl-LDH-2(41mg，1.00mol％Pd)、抗壞血酸鈉(2mg，0.01mmol)、碳酸鉀(256mg，2.00mmol)、CTAB(36mg，0.10mmol)、Na2H2EDTA(34mg，0.10mmol)、苯硼酸(134mg，1.00mmol)，N2氣置換後，依次加入氯苯(0.11mL，1.00mmol)、水(3mL)。N2氣氛下緩慢升溫至80℃，TLC跟蹤反應。反應48h結束後，用砂芯漏鬥濾出催化劑，用乙酸乙酯洗滌催化劑，合併有機相併用飽和食鹽水洗至中性，無水MgSO4乾燥，減壓蒸除溶劑，剩餘物柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:20，Rf＝0.6)，得白色固體127mg，產率82％。表徵數據同實施例4。

實施例7

溴苯與苯硼酸反應製備聯苯評價再生催化劑PdMgAl-LDH-3的活性：

製備方法同實施例4，改用溴苯(0.10mL，1.00mmol)作底物，改用PdMgAl-LDH-3(48mg，0.20mol％Pd)作催化劑。反應12h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:20，Rf＝0.6)，得白色固體138mg,產率89％。表徵數據同實施例4。

本實施例證明再生的催化劑PdMgAl-LDH-3的催化活性保持不變。

實施例8

4-硝基溴苯與苯硼酸反應製備4-硝基聯苯：

製備方法同實施例4，改用4-硝基溴苯(202mg，1.00mmol)作底物。反應8h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:15,Rf＝0.5)，得淡黃色固體192mg,產率96％，m.p.:114-116℃.IR(neat,cm-1)νmax:1591,1506,1396,847,733,691.1H NMR(300MHz,DMSO-d6,TMS):δ8.30(d,J＝9.00Hz,2H,ArH),7.96(d,J＝8.70Hz,2H,ArH),7.80-7.77(m,2H,ArH),7.56-7.45(m,3H,ArH).13C NMR(75MHz,DMSO-d6,TMS):δ147.15,147.09,138.29,129.68,129.50,128.30,127.71,124.52.HR-MS(ESI):m/z[M+H]+:calcd for C12H10NO2:200.0712,found:200.0717.

實施例9

4-硝基氯苯與苯硼酸反應製備4-硝基聯苯：

製備方法同實施例6，改用4-硝基氯苯(158mg，1.00mmol)作底物。反應32h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:15,Rf＝0.5)，得淡黃色固體171mg,產率86％，表徵數據同實施例8。

實施例10

4-溴苯乙酮與苯硼酸反應製備4-苯基苯乙酮：

製備方法同實施例4，改用4-溴苯乙酮(199mg，1.00mmol)作底物。反應8h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:15,Rf＝0.5)，得白色固體182mg,產率93％，m.p.:120-122℃.IR(cm-1)νmax:2919,1672,1592,1477,835,759,683.1H NMR(300MHz,CDCl3,TMS):δ8.06(d,J＝8.40Hz,2H,ArH),7.71(d,J＝8.10Hz,2H,ArH),7.65(d,2H,J＝6.90Hz,2H,ArH),7.40-7.52(m,3H,ArH),2.66(s,3H,-CH3).13C NMR(75MHz,CDCl3,TMS):δ197.75,145.81,139.90,135.89,128.97,128.93,128.25,127.29,127.24,26.67.HR-MS(ESI):m/z[M+H]+:calcd for C14H13O:197.0966,found:197.0961.

實施例11

4-氯苯乙酮與苯硼酸反應製備4-苯基苯乙酮：

製備方法同實施例6，改用4-氯苯乙酮(155mg，1.00mmol)作底物。反應36h結束 後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:10,Rf＝0.5)，得白色固體165mg,產率84％，表徵數據同實施例10。

實施例12

4-溴甲苯與苯硼酸反應製備4-甲基聯苯：

製備方法同實施例4，改用4-溴甲苯(0.15mL，1.00mmol)作底物。反應15h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:20,Rf＝0.5)，得白色固體154mg,產率91％,m.p.:46-48℃.IR(cm-1)νmax:2912,1600,1478,821,749,685.1H NMR(300MHz,CDCl3,TMS):δ7.63(d,J＝7.20Hz,2H,ArH),7.54(d,J＝8.10Hz,2H,ArH),7.47(t,J＝7.50Hz,2H,ArH),7.36(t,J＝7.35Hz,1H,ArH),7.30(d,J＝8.10Hz,2H,ArH),2.44(s,3H,-CH3).13C NMR(75MHz,CDCl3,TMS):δ141.24,138.43,137.06,129.54,128.77,127.23,127.04,21.16.HR-MS(APCI):m/z[M+H]+:calcd for C13H13:169.1017,found:169.1013.

實施例13

4-甲氧基溴苯與苯硼酸反應製備4-甲氧基聯苯：

製備方法同實施例4，改用4-甲氧基溴苯(0.13mL，1.00mmol)作底物。反應8h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:12,Rf＝0.5)，得白色固體171mg,產率93％，m.p.:86-87℃.IR(neat,cm-1)νmax:2961,1600,1518,831,755,683.1H NMR(300MHz,CDCl3,TMS):δ7.60-7.55(m,4H,ArH),7.45(t,J＝7.50Hz,2H,ArH),7.33(t,J＝7.20Hz,1H,ArH),7.02(d,J＝8.70Hz,2H,ArH),3.88(s,3H,-CH3).13C NMR(75MHz,CDCl3,TMS):δ159.19,140.86,133.81,128.72,128.16,126.74,126.66,114.24,55.34.HR-MS(APCI):m/z[M+H]+:calcd for C13H13O:185.0966,found:185.0969.

實施例14

5-溴嘧啶與苯硼酸反應製備5-苯基嘧啶：

製備方法同實施例4，改用5-溴嘧啶(158mg，1.00mmol)作底物。反應10h結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝2:3,Rf＝0.5)，得淡黃色固體148mg，產率95％，m.p.:50-52℃.IR(cm-1)νmax:1577,1497,1408,760,693.1H NMR(300MHz,CDCl3,TMS):δ9.22(s,1H,PyrimH),8.97(s,2H,PyrimH),7.45-7.61(m,5H,ArH).13C NMR(75MHz,CDCl3,TMS):δ157.49,154.91,134.36,134.29,129.44,129.02,127.00.HR-MS(APCI):m/z[M+H]+:calcd for C10H9N2:157.0766,found:157.0762.

實施例15

4-溴吡啶與苯硼酸反應製備4-苯基吡啶：

製備方法同實施例4，改用4-溴吡啶鹽酸鹽(194mg，1.00mmol)作底物。反應10h 結束後，柱層析分離(乙酸乙酯/石油醚＝1:1,Rf＝0.5)，得淡黃色固體144mg，產率93％，m.p.:77-78℃.IR(cm-1)νmax:1581,1474,755,678.1H NMR(300MHz,DMSO-d6,TMS):δ8.64(d,J＝6.00Hz,2H,PyH),7.80(d,J＝6.00Hz,2H,PyH),7.69-7.71(m,2H,PyH),7.45-7.56(m,3H,ArH).13C NMR(75MHz,DMSO-d6,TMS):δ150.68,147.45,137.63,129.67,129.64,127.24,121.66.HR-MS(ESI):m/z[M+H]+:calcd for C11H10N:156.0813,found:156.0809。