專利名稱：用于偶聯反應的無金屬催化劑體系的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種催化劑體系，具體涉及一種用于偶聯反應的無金屬催化劑 參與的催化體系。
背景技術：
偶聯反應是一類十分有用的反應，特別是鈴木(Suziiki-Miyaura)偶聯反 應，是構建碳碳鍵的一個非常有用的合成手段，廣泛應用于各類聚合物如農用 化學品、藥物中間體等的合成。可供選擇的Siizuki-Miyaiira偶聯反應催化劑可以是在有磷配體存在下的 鈀絡合物，如Pd(dppf)2或Pd(PPh3)4。然而，采用這類催化劑存在下列問題 ①鈀的價格昂貴，因而，利用該反應制備有機化合物的成本較高；②金屬鈀具 有較強的毒性，并且，其磷配體不穩(wěn)定，對熱敏感，活性相對低的芳香化合物 在高溫下反應會導致催化劑迅速鈍化沉淀出鈀黑，因而影響了其在藥物合成等 場合中的應用。在現有技術中，至今為止關于無過渡金屬催化劑參與的Suzuki-Miyanra 偶聯反應只有Nicholas E. Leadbeater課題組的報道。根據文獻l[Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42， 1407-1409(德國化學會志) 和文獻2[J. Org. Chem. 2003， 68， 5660-5667(美國化學會有機化學)的報 道作者報道了一種無過渡金屬催化劑參與的催化體系，以水為反應介質，以 碳酸鈉為堿，以TBAB (四丁基溴化銨)為添加劑，用微波反應器，其中功率 為100W，反應溫度為150'C，時間為5分鐘。而一般油浴在相同的溫度下， 加熱5個小時也到不到這樣的效果。上述文獻中報道的催化體系僅僅適用于芳基碘代物和溴代物與芳基硼酸 的偶聯反應，對于芳基氯代物的偶聯反應則無法進行。其中比較反常的結果是， 對于相同的催化體系，該體系對于芳基溴代物反應反而比芳基碘代物的效果更 好，這與化學中碳-碘鍵比碳-溴鍵更容易斷裂相違背。同時，文獻1和2中的操作其實非常危險，在密閉的容器中瞬間達到溶劑 (水)沸點之上的溫度，容易發(fā)生容器的爆裂。更大的問題是Nicholas E. Leadbeater課題組在兩年后發(fā)現他們之前的 報道是不正確的，并不是純粹無過渡金屬催化劑參與的偶聯反應。根據文獻 3[J. Org. Chem. 2005， 70， 161-168(美國化學會有機化學)的報道他們以 前報道中所使用的堿(碳酸鈉)中其實含有10-24ppb量的鈀，而僅僅如此量 的鈀催化劑的存在足可以催化偶聯反應進行，因此，他們的報道并不是真正意 義上的無過渡金屬參與的偶聯反應。此外，他們發(fā)現商業(yè)上獲得的碳酸鈉都含 有少量的鈀，而碳酸鉀卻不含鈀。艮P，現有技術中用于偶聯反應的催化劑體系都含有貴金屬和/或過渡金屬， 存在價格昂貴、毒性等問題，且為了避免金屬氧化， 一般需要惰性氣體保護， 操作條件嚴格。因此，如果能開發(fā)出完全不含過渡金屬催化劑的催化體系用于偶聯反應， 必將具有很大的意義。發(fā)明內容本發(fā)明目的是提供一種用于偶聯反應的無金屬催化劑體系。 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是 一種用于偶聯反應的無金屬催化劑體系，主要由碳酸鉀和聚乙二醇組成，碳酸鉀與聚乙二醇的摩爾比為60 : 1至600 1。實驗證明，上述體系可用于催化偶聯反應，該催化體系中不含鈀，實際試驗中，對催化體系中的碳酸鉀、聚乙二醇，以及反應原料均進行測試，在10 24ppb范圍內檢測不到鈀，說明本發(fā)明的催化體系確為不含鈀的催化體系。上述技術方案中，所述無金屬催化劑體系中包括有碘，所述碳酸鉀與碘的摩爾比為5 : i至30 : i。上述技術方案中，所述聚乙二醇的分子量在200到800之間。本發(fā)明所述無金屬催化劑體系可應用于偶聯反應，加入的催化劑體系以碳酸鉀計，相當于芳基鹵代物的1 5當量，偶聯反應在11(TC 14(TC下進行， 反應時間為12小時 40小時，反應在空氣中進行。上文中，采用的催化體系，是無中心金屬參與的催化體系，因而可以直接 在空氣中進行，不需要在嚴格的氣體保護下進行。通過對比發(fā)現，采用上述催 化體系的反應在空氣中進行反而獲得了比在惰性氣體保護下獲得更好的結果， 可能原因是空氣中的氧氣參與了該偶聯反應的進行(氧化加成過程)。在實際反應時，根據情況，可以循環(huán)使用催化劑，此時，當反應結束時， 往體系中加入低沸點溶劑，直接在反應器中萃取3 4次，每次把上層有機層小心傾析并且合并，最終將合并的有機溶劑通過干燥、濃縮并進行簡單的柱層 析，即可得到偶聯產物，下層的催化劑體系可循環(huán)使用。 其中，所述低沸點溶劑為乙醚。如果實際使用時不需要循環(huán)使用催化劑，則在反應結束時，先住體系中加 入水再加入溶劑進行萃取，萃取溶劑以采用乙酸乙酯為優(yōu)選，經過萃取、干燥、 柱層析等操作可得到產物。進一步的技術方案，用于催化芳基氯代物進行偶聯反應時，加入與碳酸鉀的摩爾比為1:10的碘，反應溫度為140'C,反應時間為40小時。用于催化芳基溴代物進行偶聯反應時，加入與碳酸鉀的摩爾比為i : io的碘，反應溫度為140'C，反應時間為28 36小時。用于催化芳基碘代物進行偶聯反應時，反應溫度為140'C,反應時間為12 小時。由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現有技術相比具有下列優(yōu)點1. 由于本催化劑體系無貴金屬和過渡金屬，徹底解決了以往催化劑存在 的價格昂貴、毒性等問題。2. 本催化劑體系在進行偶聯反應時不需要惰性氣體的保護。3. 本催化體系可以循環(huán)使用，且操作非常方便，只需分批加入乙醚溶劑， 體系繼續(xù)攪拌，產物就會自動進入乙醚相，從而實現了催化劑體系與產物的自 動分離。上層有機相只需傾析即可，然后合并后簡單柱層析便可得最終產物。 對于剩下的體系直接加入兩個原料即可進行第二輪催化反應。4. 本催化體系適用的底物范圍較寬，包括各類芳基鹵代物和各類芳基硼 酸，產物的化學收率最高超過99%;可見，本催化體系和以往的催化體系有著本質的區(qū)別，催化體系成本低廉且可以循環(huán)使用，無需惰性氣體保護，反應操作和后處理操作也非常簡單，有 望進行大規(guī)模應用和工業(yè)化生產。
具體實施方式
下面結合附圖
及實施例對本發(fā)明作進一步描述-實施例一在一反應試管中依次裝入碳酸鉀(0.6 mmol， 83 mg)，對甲苯硼酸(0.4 mmol， 56.1 mg)以及聚乙二醇400 (2 mL)，然后加入碘苯(0.3 mmol, 34.2 mL)。該體系不需惰性氣—體保護即在空氣中直接密封后在140'C的油浴加熱約 12小時，先加入2 mL水淬滅反應，然后用乙酸乙酯萃取(4 mLX3)，合并 有機相并用無水硫酸鈉干燥后，濃縮后通過簡單的柱層析(洗脫劑使用石油醚 (60~90°C))即可得偶聯產物4-甲基聯苯(50.4 mg)，收率超過99%。產物 的熔點為46 47i:;其核磁數據為1HNMR(CDC13， 300Hz) (&， ppm) 2.37 (s， 3H， CH3)， 7.24 (d， J = 7.6 Hz， 2H， ArH)， 7.30 (t， J = 7.6 Hz， 1H， ArH)， 7.40 (t， J = 7.6 Hz， 2H， ArH)， 7.48 (d， J = 7.8 Hz， 2H， ArH)， 7.56 (d， J = 7.6 Hz， 2H， ArH); 13C NMR (75 MHz, CDC13) (8， ppm) 141.61， 138.81， 137.46， 129.95， 129.18， 127.45， 127.43， 21.57。 實施例二在一反應試管中依次裝入碳酸鉀(0.6 mmol， 83 mg)，苯硼酸(0.4 mmol， 48.8 mg)以及聚乙二醇400 (2 mL)，然后用微量進樣器加入碘苯(0.3 mmol， 34.2 jiL)。然后該體系密封后在140"C的油浴加熱約12小時，先加入2 mL水 淬滅反應，然后用乙酸乙酯萃取(4 mLX3)，合并有機相并用無水硫酸鈉干 燥后，濃縮后通過簡單的柱層析(洗脫劑使用石油醚(60~90°C))即可得偶聯 產物聯苯(44.8 mg)，收率超過99%。產物的核磁數據為1H NMR (400 MHz, CDC13) (8， ppm) 7.60 (t， J = 7.2 Hz， 4H， ArH)， 7.45 (t， J = 7.2 Hz， 4H， ArH)， 7.36 (d， J = 7.2 Hz， 2H， ArH); 13C NMR (100 MHz, CDC13) (8， ppm) 141.67， 129.22， 127.72， 127.64。實施例三在一反應試管中依次裝入碳酸鉀(0.6 mmol， 83 mg)， 3-甲氧基苯硼酸(0.4tnmoi， 60.8 mg)以及聚乙二醇400 ( 2 mL),然后用微量進樣器加入碘苯(0.3 mmol， 34.2 fiL)。然后該體系密封后在140卩的油浴加熱約12小時，先加入2 mL水淬滅反應，然后用乙酸乙酯萃取(4 mLX3)，合并有機相并用無水硫酸 鈉干燥后，濃縮后通過簡單的柱層析(洗脫劑使用石油醚(60 90'C))即可得 偶聯產物3-甲氧基聯苯(55.3 mg)，收率超過99%。產物的核磁數據為1H NMR (CDC13, 300Hz) (S, ppm) 3.76 (s， 3H, CH30), 6.80 (d， J = 7.8 Hz， 1H， ArH), 7.08 (t, J = 9.3 Hz， 6H， ArH)， 7.23-7.36 (m, 2H， ArH)， 7.50 (d， J = 7.5 Hz， 2H， ArH>; 13C謂R (100 MHz， CDC13) (8， ppm) 160.37， 143.20， 141.53， 130.20， 129.18， 127.86， 127.64， 120.11， "3.33, 113.10, 55.71 -實施例四在一反應試管中依次裝入碳酸鉀(0.6 mmol, 83 mg), 4-氯碘苯(0.3 mmol， 71.4 mg)， 4-氯苯硼酸(0.4 mmol， 62.4 mg)以及聚乙二醇400 (2 mL)。然后 該體系密封后在140X:的油浴加熱約12小時，先加入2 mL水淬滅反應，然后 用乙酸乙酯萃取(4 mLX3)，合并有機相并用無水硫酸鈉干燥后，濃縮后通 過簡單的柱層析(洗脫劑使用石油醚(60~90t)和乙酸乙酯的混合溶劑(體 積比為10: l))即可得偶聯產物4，4，-二氯聯苯(66.6 mg),收率超過99%。 產物的核磁數據為1H NMR (300 MHz, CDC13) (6， ppm) 7.33 (d， J = 8.4 Hz， 4H， ArH)， 7.40 (d， J = 8.1 Hz， 4H， ArH); 13C畫R (75 MHz, CDC13) (6， ppm) 138.88， 134.02， 129.52， 128.70-實施例五在一反應試管中依次裝入碘(0.06 mmol， 15.2 mg),碳酸鉀(0.6 mmol， 83 mg), 2-甲氧基苯硼酸(0.4 mmol， 60.8 mg)以及聚乙二醇400 (2 mL)，然后 用微量進樣器加入碘苯(0.3 mmol， 34.2 ^L)。然后該體系密封后在140"的油 浴加熱約12小時，先加入2 mL水淬滅反應，然后用乙酸乙酯萃取U mLX3), 合并有機相并用無水硫酸鈉干燥后，濃縮后通過簡單的柱層析(洗脫劑使用石 油醚(60 90'C))即可得偶聯產物2-甲氧基聯苯(49.8 mg)，收率為90%。 產物的核磁數據為1H NMR (CDC13， 300Hz) (3， ppm) 3.70 (s， 3H， CH30)， 6.987-6.96 (m, 2H， ArH)， 7.21 (t， J = 6.3 Hz， 3H， ArH)， 7.31 (t， J = 7.2 Hz， 2H， ArH)， 7.44 (d， J = 7.5 Hz， 2H， ArH); 13C畫R (100 MHz, CDC13) (S， ppm)156.84， 138.93， 131.30， 129.95， 129.02， 128.39， 127.32， 121.22， 111.60， 55.94-實施例六在一反應試管中依次裝入碘(0.06 mmol， 15.2 mg),碳酸鉀(0.6 mmol， 83 mg)， 4-氯溴苯(0.3 mmol, 57.0 mg)， 4-氟苯硼酸(0.4 mmol， 56.0 mg)以及 聚乙二醉400 (2 mL)。然后該體系密封后在140C的油浴加熱約36小時，先 加入2mL水淬滅反應，然后用乙酸乙酯萃取(4 mLX3),合并有機相并用無 水硫酸鈉干燥后，濃縮后通過簡單的柱層析(洗脫劑使用石油醚(60~900) 即可得偶聯產物4-氯-4'-氟聯苯(53.2 mg),收率為86%。產物的核磁數據為 1H NMR (CDC13, 400Hz) (S， ppm) 7.12 (t， J = 8.8 Hz， 2H， ArH)， 7.38-7.51 (m 6H， ArH" 13C謂R (CDCB， 100Hz) (6， ppm) 164.27， 161.82， 139.13, 136.57， 136.54， 133.85， 129.42， 128.70, 116.34， 116.13<>實施例七在一反應試管中依次裝入碘(0.06 mmol， 15.2 mg),碳酸鉀(0.6 mmol， 83 mg)， (E)-p-苯乙烯溴(0.3 mmol， 54.6 mg),苯硼酸(0.4 mmol， 48.8 mg)以 及聚乙二醇400 (2 inL)。然后該體系密封后在140^C的油浴加熱約36小時， 先加入2 mL水淬滅反應，然后用乙酸乙翻萃取(4 mLX3)，合并有機相并用 無水硫酸鈉干燥后，濃縮后通過簡單的柱層析(洗脫劑使用石油醚(60~900) 即可得雙鍵構型仍然保持的偶聯產物(E)-二苯基乙烯(48.7 mg)，收率為90%。 產物的核磁數據為1H NMR (400 MHz, CDC13) (S， ppm) 7.13 (s， 2H)， 7.24-7.30 (m， 2H)， 7.38 (t, ,1 = 7.6 Hz， 4H)， 7.54 (d， J = 7.2 Hz， 4H); 13C醒R (100 MHz, CDC13) (S， ppm) 137.79， 129.15， 128.08， 126.98。
權利要求
1.一種用于偶聯反應的無金屬催化劑體系，其特征在于主要由碳酸鉀和聚乙二醇組成，碳酸鉀與聚乙二醇的摩爾比為60∶1至600∶1。
2. 根據權利要求i所述的無金屬催化劑體系，其特征在于所述催化劑 體系中包括有碘，所述碳酸鉀與碘的摩爾比為5 : i至30 : i。
3. 根據權利要求i所述的催化劑體系，其特征在于所述聚乙二醇的分子量在200到800之間。
4. 權利要求1所述無金屬催化劑體系在偶聯反應中的應用，其特征在于 加入的催化劑體系以碳酸鉀計，相當于芳基鹵代物的1 5當量，偶聯反應在 11(TC 14(TC下進行，反應時間為12小時 40小時，反應在空氣中進行。
5. 根據權利要求4所述的應用，其特征在于反應結束時，往體系中加 入低沸點溶劑，直接在反應器中萃取3 4次，每次把上層有機層小心傾析并 且合并，最終將合并的有機溶劑通過干燥、濃縮并進行簡單的柱層析，即可得 到偶聯產物，下層的催化劑體系可循環(huán)使用。
6. 根據權利要求5所述的應用，其特征在于所述低沸點溶劑為乙醚。
7. 根據權利要求4所述的應用，其特征在于用于催化芳基氯代物進行 偶聯反應，加入與碳酸鉀的摩爾比為1 : 10的碘，反應溫度為140'C，反應時 間為40小時。
8. 根據權利要求4所述的應用，其特征在于用于催化芳基溴代物進行 偶聯反應，加入與碳酸鉀的摩爾比為1 : 10的碘，反應溫度為14(TC，反應時 間為28 36小時。
9. 根據權利要求4所述的應用，其特征在于用于催化芳基碘代物進行 偶聯反應，反應溫度為140'C，反應時間為12小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于偶聯反應的無金屬催化劑體系，其主要由碳酸鉀和聚乙二醇組成，碳酸鉀與聚乙二醇的摩爾比為60∶1至600∶1。本發(fā)明的催化體系無貴金屬和過渡金屬，徹底解決了以往催化劑存在的價格昂貴、毒性等問題。本發(fā)明的催化體系可適用于各種偶聯反應，成本低廉且可以循環(huán)使用，無需惰性氣體保護，反應操作和后處理操作也非常簡單，有望進行大規(guī)模應用和工業(yè)化生產。
文檔編號B01J27/06GK101244390SQ20071030723
公開日2008年8月20日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權日2007年9月6日
發(fā)明者毛金成 申請人:蘇州大學