Pd(OAc)2负载的Al2O3在Suzuki反应中的应用研究

林梦依 王 聪 李维婷

(绍兴文理学院 化学化工学院，浙江 绍兴312000)

0 引言

Suzuki反应是现代有机合成化学中构筑碳碳单键的有效方法之一[1].经典的Suzuki反应以钯为催化剂，在配体和碱的存在下，卤代芳烃和芳基硼酸于均相体系中进行偶联得到联芳基化合物[2].均相Suzuki反应虽然具有催化活性高和反应选择性好等优点，但是也存在催化剂与产物不易分离，催化剂不易回收利用以及对产品造成金属污染等缺点，这在很大程度上限制了均相Suzuki反应在医药工业上的应用.

非均相Suzuki反应具有催化剂与产物容易分离，催化剂可回收以及重复利用等优点，在工业上具有更好的应用前景.非均相Suzuki反应受到了广泛的关注[3].近年来，人们发展了一系列高效的非均相催化剂进行Suzuki反应[4,5].

Al2O3是一类非常重要的材料，具有很好的稳定性，并被广泛地应用于多种非均相催化剂的制备[6].Al2O3也可以作为KF的载体而制成KF-Al2O3固体碱，并可被应用于多种有机化学反应.本文以市售纳米Al2O3为Pd(OAc)2的载体制成非均相催化剂Pd-Al2O3，并将其运用于Suzuki反应中.实验表明，该催化剂对Suzuki反应不仅具有很好的催化活性而且能被多次重复利用而不降低其催化性能.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：纳米Al2O3(阿拉丁试剂公司)，芳基硼酸和卤代芳烃(阿拉丁、TCI或Across等公司)、乙醇(江苏永华，AR)、四氢呋喃(上海润捷)、水(去离子水)、碳酸钾(西陇化工).

仪器：电子天平(sartorius BSA 124S))、离心机(上海手术器械厂80-2和sigma 1-14)、气相色谱(Agilent 7890)、核磁共振仪(Bruker AV 400 MHz)、旋转蒸发仪(büchi R-210).

1.2 Pd-Al2O3催化剂的制备

称量纳米Al2O3(1g)用马弗炉在1000 ℃下焙烧3h后冷却到室温.称量Pd(OAc)2(10 mg)于50 mL圆底烧瓶中，加入四氢呋喃(30 mL)进行溶解，在搅拌下加入上述冷却的Al2O3.搅拌4h后四氢呋喃变澄清，用旋转蒸发仪进行减压去掉四氢呋喃，再用真空油泵进行进一步干燥，所得固体即为Suzuki反应的催化剂Pd-Al2O3.催化剂在使用过程中Pd(OAc)2的含量以其理论值(1 wt%)计算.

1.3 Pd-Al2O3催化Suzuki反应的实验步骤

在10 mL耐压反应管中，依次磁子、卤代芳烃(0.25 mmol)、芳基硼酸(0.375 mmol)、Pd-Al2O3催化剂(14 mg，含0.14 mg 醋酸钯，0.25 mol%)、K2CO3(0.5 mmol)、去离子水(1 mL)和乙醇(3 mL).反应管用硅橡胶垫密封后在100℃的油浴中加热(碘代芳烃的反应时间为0.5h，溴代芳烃的反应时间为2.5～3h).反应结束后取少量反应液用sigma 1-14型离心机进行高速离心(15000转/分钟)所得液体进行气相分析.

1.4 Pd-Al2O3循环使用实验步骤

在10mL耐压反应管中，依次加入磁子、对碘甲苯(1.5 mmol)、苯硼酸(2.15 mmol)、Pd-Al2O3催化剂(84 mg，含醋酸钯3.7×10-4 mmol,0.25 mol%)、碳酸钾(3 mmol)、无水乙醇(3 mL)和去离子水(1 mL).反应管用硅橡胶片密封，在100℃下反应0.5小时后用离心的方法(1500转/分钟)进行固液分离.所得的液体进行气相分析，而催化剂在原反应管中依次用乙醇(2 mL)、水(2 mL×2)、乙醇(2 mL×2)洗涤，每次洗涤后都用离心的方法进行固液分离，最后在反应管中得到催化剂后再加入上述等量的反应试剂进行下一次实验.重复第五次反应后，将反应液用离心的方法进行固液分离.取少量液体进行GC分析，而催化剂用乙酸乙酯(3 mL×2)洗涤后，将乙酸乙酯与上述液体合并，加水(5 mL)，用乙酸乙酯(15 mL×2)萃取，合并有机相，并用饱和食盐水洗涤后用无水硫酸钠干燥，减压浓缩，柱层析进行产物分离.

2 结果与讨论

2.1 Pd-Al2O3催化剂的重复催化效果

与均相反应相比较，非均相催化的最大优势是催化剂能够得以回收和再利用.在回收方面，非均相催化剂一般只需简单的过滤或离心操作；而在利用方面，回收所得催化剂的催化效果是衡量非均相催化剂的一个重要指标.因此，我们首先需要对Pd-Al2O3催化剂的重复催化效果进行考察.我们以对碘甲苯和苯硼酸为原料，K2CO3为碱，乙醇和水为溶剂进行了重复实验(如表1).我们发现：用微量的Pd(OAc)2(0.25 mol%)，将反应混合物在100 ℃下加热0.5 h就能以96%的收率得到所需的偶联产物，说明该Pd-Al2O3具有非常好的催化活性.反应后，我们通过离心、水洗涤、乙醇洗涤等操作在原反应试管中得到Pd-Al2O3催化剂进行下次重复实验.从表1可知,Pd-Al2O3催化剂在重复5次后还能以96%的气相收率和90%的分离收率得到产物，这说明Pd-Al2O3催化剂在多次重复使用后没有降低催化活性.

表1以4-碘甲苯和苯硼酸为原料对Pd-Al2O3催化剂进行重复催化的实验结果.

实验12345收率(%)9694949996(90b)

2.2 Pd-Al2O3催化剂在Suzuki反应中的底物普适性

我们用不同的卤代芳烃和芳基硼酸对Pd-Al2O3催化剂在Suzuki反应中的底物普适性进行了探索.从表2的结果可知：反应对有吸电子基团和给电子基团的卤代芳烃都具有很好的兼容性，如：反应性较好的碘代芳烃，当苯环上有p-me、p-CN、o-OMe取代基时，在100 ℃下反应0.5h，都能以99%的收率得到偶联产物(实验1-3)；而对反应活性相对较低的溴代芳烃，当苯环上有p-Me、m-OMe、m-OMe、m-COMe，只需要延长反应时间至2.5～3h，也能以91%以上的收率得到偶联产物(实验4-7).研究还发现：在Pd-Al2O3的催化下，不同取代的苯硼酸(R1= p-F、p-CHO、p-Et)与对碘甲苯反应也能以非常好的产率得到产物(实验8-10).

3 结论

本文以纳米氧化铝为载体，制备了一种新颖的非均相催化剂Pd-Al2O3.以Pd-Al2O3为催化剂，在乙醇和水中，在K2CO3的存在下，只需0.25 mol% Pd就能非常有效地催化Suzuki偶联反应.Pd-Al2O3催化剂不仅具有很好的底物普适性，而且能被多次重复使用而不降低催化活性.该催化剂具有很好的应用前景.

表2 不同卤代芳烃和芳基硼酸在Pd-Al2O3催化下的实验结果

实验R1XR2反应时间(h)气相产率1HIp-OMe0.5992HIp-CN0.5993HIo-OMe0.5994HBrp-Me2.5985HBrm-Me2.5936HBrm-OMe2.5917HBrm-COMe3998p-FIp-Me0.5999p-CHOIp-Me0.59310p-EtIp-Me0.599

参考文献：

[1]Miyaura N,Suzuki A.Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organoboron Compounds [J].Chem Rev,1995,95(7): 2457-2483.

[2]Martin R,Buchwald S L.Palladium-catalyzed Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reactions Employing Dialkylbiaryl Phosphine Ligands [J].Acc Chem Res,2008,41(11): 1461-1473.

[4]Schmōger C,Szuppa T.et al.Pd on Porous Glass: A Versatile and Easily Recyclable Catalyst for Suzuki and Heck Reactions [J].ChemSusChem,2008,1(4): 339-347.

[5]Zhang P,Weng Z,Guo J,et al.Conjugated Porous Polymer Networks with Entrapped Palladium Nanocrystals for Heterogeneous Catalysis of the Suzuki-Miyaura Coupling Reaction [J].Chem Mater,2011,23(23): 5243-5249.

[6]Feng,G,Chen L,et al.Crystalline mesoporous γ-Al2O3supported palladium: novel and efficient catalyst for Suzuki-Miyaura reaction under controlled microwave heating [J].Catal Commun.2013,37(5): 27-31.