鎳氮配體催化無銅sonogashira偶聯(lián)反應畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要3</b></p><p><b>　　第一章 引言5</b></p><p>　　1.1 鎳催化的Sonogashira反應研究進展6</p><p>　　1.2 Sonogashira的

2、反應機理6</p><p>　　1.2.1 銅鹽（碘化亞銅，氯化銅等）參與的Sonogashira反應機理7</p><p>　　1.2.2 無銅的Sonogashira反應機理8</p><p>　　1.3 鎳催化的Sonogashira反應9</p><p>　　1.4 Sonogashira反應的應用9</p>

3、<p>　　1.5 本文的研究內(nèi)容10</p><p>　　1.6 本文的創(chuàng)新點11</p><p>　　第二章 鎳、氮配體催化無銅Sonogashira反應12</p><p><b>　　2.1 引言12</b></p><p>　　2.2 實驗部分12</p><p>　

4、　2.2.1 主要測試儀器12</p><p>　　2.2.2 原料與試劑12</p><p>　　2.2.3 實驗過程15</p><p>　　2.3 實驗數(shù)據(jù)及分析16</p><p>　　2.4 本章小結19</p><p><b>　　結論20</b></p>&

5、lt;p><b>　　致謝21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p>　　鎳/氮配體催化無銅Sonogashira偶聯(lián)反應</p><p>　　艾麥提江?麥提圖爾蓀 指導老師：周蓉</p><p>　　摘要：過渡金屬催化的碳-碳鍵形成的反應是當前有機合

6、成反應的重要反應。Sonogashira是其中一個重要的手段。反應常用Pd/Cu化合物為催化劑，今年來，廉價易得Ni催化劑得到廣泛關注。本論文以鎳催化的碳-碳鍵偶聯(lián)反應中的Sonogashira反應以及反應中鎳催化體系的反應條件選擇做了研究，選出較適合的反應條件，進行底物電子和空間效應的考察，以研究催化性能與結構的關系。</p><p>　　我們選出不同結構的鹵代物與苯乙炔反應，以無水氯化鎳作為催化劑，碳酸鉀作為

7、堿，正丁醇作為溶劑，發(fā)現(xiàn)在該催化體系下，鹵代芳烴具有吸電子基團的底物更利于反應的進行，通常由于N等雜原子對金屬的毒化作用使得反應難以進行的雜環(huán)鹵代物也能順利得到相應的產(chǎn)物。</p><p>　　關鍵詞：鎳催化；Sonogashira反應；無銅催化</p><p>　　Nickel/nitrogen ligand catalyze the reaction of copper-free So

8、nogashira</p><p>　　AiMaiTiJiang Tutor：Zhou Rong</p><p>　　Abstract：The reaction of carbon carbon bonds catalyzed by transition metal is an important reaction in organic synthesis. Currently, Son

9、ogashira reaction is an important means of modern organic synthesis. Pd/Cu compounds usually have been widely used as the catalysts of Sonogashira reaction. Recently years, Ni catalyst got widely attention because of its

10、 cheap and easy to get. The catalyst of NiCl2/N-ligand was used into the Sonogashira reaction. To investigate the relationship between catalyst </p><p>　　In this section we choose different substrates reacte

11、d with phenylacetylene, anhydrous nickel chloride as a catalyst, potassium carbonate as a base, n-butanol as the solvent. Aryl halides with electrondrawing groups could reactivity smoothly, and the structures of heterocy

12、cles, which made metal catalyst deactivated because of N atom, as start materials can also get corresponding products.</p><p>　　Key words: Nickel Sonogashira reaction No copper-catalyzed</p><p&

13、gt;<b>　　引言</b></p><p>　　碳-碳鍵構成了有機化合物的基本構架，鹵代芳烴等雜化原子與親核性碳原子之間的偶聯(lián)反應是構建碳-碳鍵的重要反應之一。過去的幾年，鈀催化的碳-碳鍵形成反應極大的推動了有機合成的發(fā)展，廣泛用于天然產(chǎn)物，醫(yī)藥物中間體的合成及先進功能材料的制備方面發(fā)揮了重要的作用。典型的碳-碳鍵反應包括Suzuki反應，Sonogashira反應，Hiyama反應、K

14、umada反應、Ullmann反應等[1-2]，如下圖所示。</p><p>　　圖1 過渡金屬催化的偶聯(lián)反應</p><p>　　過渡金屬催化的碳-碳鍵形成反應是現(xiàn)代有機合成中最重要的方法之一。其中如鈀、鎳催化Sonogashira反應是構建碳-碳鍵重要方法之一，Sonogashira反應是一類由過渡金屬催化末端的炔烴與型碳的交聯(lián)偶合反應。</p><p>　　

15、Sonogashira反應是合成類炔烴和大共軛缺性化合物的重要方法，被廣泛的用于醫(yī)藥，農(nóng)藥和有機光電材料的合成中。</p><p>　　1.1 鎳催化的Sonogashira反應研究進展</p><p>　　過渡金屬配合物催化的末端炔烴與鹵代芳烴等的交叉偶聯(lián)反應，我們稱之為Sonogashira反應。該反應最早由Heck在1975年獨立報道。兩者的方法都采用鈀作為催化劑，但所使用的溶劑都需

16、要較高的反應溫度。</p><p>　　由于鈀催化劑價格昂貴以及銅鹽的加入導致炔烴的發(fā)生自偶聯(lián)反應產(chǎn)生炔烴二聚物，對產(chǎn)品分離造成困難，近年來無銅，鎳的催化體系受到化學研究者的關注。</p><p>　　如前所述，Sonogashira反應中常用的催化劑為Pd/Cu化合物。雖然在其它的一些偶聯(lián)反應中，Ni與Pd有著同樣顯著的催化作用，且較Pd化合物高昂的價格來說Ni催化劑更為廉價易得。<

17、;/p><p>　　1.2 Sonogashira的反應機理</p><p>　　過渡金屬配合物催化的末端炔烴與鹵代芳烴或者鹵代烯烴的交叉偶聯(lián)反應，我們稱之為Sonogashira反應。</p><p>　　經(jīng)典的Sonogashira反應的催化劑是PdCl/CuI，通常在有機胺存在下或者在有機胺溶液中進行。目前被廣泛認可的Sonogashira偶聯(lián)反應機理如下圖所示：

18、</p><p>　　圖2 Sonogashira反應機理</p><p>　　Sonogashira反應的機理一直是一個有爭議的研究課題，該反應機理的研究至今仍在進行。根據(jù)目前所報道的文獻，該反應機理可以分為兩類：（1）銅鹽參與的Sonogashira反應機理 （2）無銅的Sonogashira反應機理。</p><p>　　1.2.1 銅鹽（碘化亞銅，氯化銅等）

19、參與的Sonogashira反應機理</p><p>　　對于銅參與的Sonogashira反應機理目前還尚存爭議，化學家已經(jīng)通過物理學的方法觀察到均相反應中形成的中間體，并且通過對中間體分析提出一個相對合理的機理，但難于對此有機金屬中間體進行分離和表征。</p><p>　　銅參與的Sonogashira反應機理如下圖所示：</p><p>　　圖3 銅參與的So

20、nogashira反應機理</p><p>　　1.2.2無銅的Sonogashira反應機理</p><p>　　首先是鹵代芳烴對催化劑活性物質氧化加成反應，然后炔烴作為配體取代并在溶劑的作用下形成碳-碳雙鍵，再經(jīng)還原消除得到偶聯(lián)產(chǎn)物。</p><p>　　無銅催化Sonogashira反應機理如圖：</p><p>　　圖4 無銅催化so

21、nogashira反應機理</p><p>　　1.3 鎳催化的Sonogashira反應</p><p>　　目前，鈀鹽為絕大多數(shù)偶聯(lián)反應的催化劑，由于鈀催化的偶聯(lián)反應比較溫和催化轉化率也比較高，底物的實用性也比較廣泛。因此鈀鹽被用于經(jīng)典的Sonogashira反應的催化劑。但是鈀鹽相對來說價格較為昂貴并且后續(xù)處理中無法完全的分離。因此因此大家研究的重點逐漸轉向以尋求廉價易得的、高效的催

22、化體系為主要的趨勢。因而鎳鹽引起了科學家們的極大的興趣。相對來說鎳鹽較為便宜而且鎳鹽可能催化鈀鹽不能催化的偶聯(lián)反應。另外在偶聯(lián)反應鎳催化比鈀鹽催化可能在不同的區(qū)域選擇性以及官能團選擇性等方面有一定的優(yōu)勢。此有必要研究由鎳催化的Sonogashira反應體系。在現(xiàn)代有機合成反應中廉價的鎳為催化劑催化的交叉偶聯(lián)反應成為了熱點。</p><p>　　我國胡西砳2009年在JACS雜志發(fā)表了文章，他是將氮/鎳配合物用于S

23、onogashira反應。該反應體系對難以反應的鹵代物也能獲得不錯的反應轉化率。</p><p>　　Yamamoto在1970年提出了Ni的還原消除及氧化加成反應機理。1972年NiC1催化下的格氏試劑與 鹵代烴的偶聯(lián)由Kumada和Corriu獨立報道。Ni催化劑對于鹵代烴與格氏試劑的偶聯(lián)有很好的催化效果。</p><p>　　1.4 Sonogashira反應的應用<

24、/p><p>　　作為引入炔烴鍵的Sonogashira偶聯(lián)反應是形成碳-碳鍵重要的反應之一，在合成，開發(fā)共軛鏈的有機材料分子的工程中有著極其重要的作用，廣泛用于天然產(chǎn)物，醫(yī)藥物中間體的合成及先進功能材料的制備。</p><p>　　1.5本文的研究內(nèi)容</p><p>　　自Sonogashira反應發(fā)現(xiàn)以來，Pd/Cu催化劑是應用最多的Snogashira反應催化體

25、系，隨后在這個基礎上人們逐漸的發(fā)現(xiàn)了各種單一的過渡金屬催化劑體系。但是由于Pd催化劑價格比較昂貴并且在后續(xù)處理中無法完全的分離，限制了大規(guī)模工業(yè)合成的應用，因此大家研究的重點逐漸轉向以尋求廉價易得的、高效及安全的催化體系為主要的趨勢，并取得了一切重要的進展。其中鎳催化、無銅催化引起人們的關注的并取得了較大的進步。</p><p><b>　　1.6本文的創(chuàng)新點</b></p>

26、<p>　　經(jīng)典的Sonogashira反應都是在堿存在的條件下Pd-Cu聯(lián)合催化劑催化的，大部分需要加入相應的配體，反應體系可謂相當?shù)膹碗s，反應所需的催化劑 溶劑等價格較為昂貴。</p><p>　　因此本課題首先從經(jīng)濟以及環(huán)保方面考慮，設計了反應條件相對簡單，較為合理的NiCl外加配體的催化體系并且沒有Cu的參與。</p><p>　　此外本課題在篩選不同種類及不同強度的堿，

27、不同溶劑（極性與非極性溶劑）后，選定最優(yōu)反應條件以及底物的篩選，采用不同空間和電子結構的底物探索該催化體系下，底物結構與反應活性與轉化率的關系。</p><p>　　第二章 鎳/氮配體催化無銅Sonogashira偶聯(lián)反應</p><p><b>　　2.1引言</b></p><p>　　自1975年Sonogashira反應報道以來，經(jīng)過多

28、年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)成為有機合成的重要的方法之一，被廣泛用于農(nóng)藥、醫(yī)藥以及功能材料等方面。通常用鈀作為催化劑用于經(jīng)典的Sonogashira反應，但是由于鈀催化劑價格昂貴并回收率不高等原因，科學家們正在研究，探索采用不同催化劑和反應條件。本試驗主要采用無需銅并外加配體的鎳作為催化劑的Sonogashira反應，以此選定最優(yōu)反應條件。</p><p><b>　　2.2實驗部分</b></p

29、><p>　　2.2.1主要測試儀器</p><p>　　實驗設備與儀器列入表中</p><p>　　2.2.2 原料與試劑</p><p><b>　　2.2.3實驗過程</b></p><p>　　不同堿性反應條件對無銅Sonogashira反應的影響</p><p>　　

30、取六個25mL的試管依次都加入溴苯0.5 mmol，苯乙炔0.6 mmol， NiCl2 0.05 mmol，鄰氮二菲0.05 mmol，再每個試管中分別加入1 mmol的碳酸氫鈉，碳酸鈉，碳酸鉀，氫氧化鈉，三乙胺以及吡啶。試管在100攝氏度的硅油浴中加熱20個小時。加熱完取出試管并在每個試管中加入2 mL的水，2 mL的乙酸乙酯，進行薄層色譜分析，確定有產(chǎn)物的再進行氣相色譜儀去分析。</p><p>　　不同溶

31、劑對無銅Sonogashira反應的影響</p><p>　　取六個25 mL的試管依次都加入溴苯0.5 mmol，苯乙炔0.6 mmol， NiCl2 0.05 mmol，鄰氮二菲0.05 mmol，碳酸鉀 1 mmol，分別加入2 mL的水，2 mL的1.4二氧六環(huán)，2 mL的DMF，2 mL的DMA，2 mL的正丁醇。試管在100攝氏度的硅油浴中加熱20個小時，加熱完取出試管并在每個試管中加入2 mL的水，

32、2 mL的乙酸乙酯，進行薄層色譜分析后在，確定有產(chǎn)物的再進行氣相色譜儀去分析。</p><p>　　不同底物對無銅Sonogashira反應的影響</p><p>　　取六個25 mL的試管依次都加入芳基溴0.5 mmol，苯乙炔0.6 mmol，NiCl2 0.05 mmol，鄰氮二菲 0.05 mmol，K2CO3 1 mmol，正丁醇3 mL，100 ℃，試管中并在硅油浴中加熱20

33、h。在紫外光譜儀測定有沒有產(chǎn)物生成，有了產(chǎn)物再到氣相色譜儀去分析不同溴代雜環(huán)芳烴。</p><p>　　2.3實驗數(shù)據(jù)及分析</p><p>　　2.3.1不同的堿性條件對反應的影響</p><p>　　上表所示經(jīng)過反復的做實驗得出不同的產(chǎn)率，如1所示：</p><p>　　表1.堿對的Sonogashira反應的影響</p>

34、<p>　　我們對堿進行了考察，結果表明無機堿比有機堿（三乙胺，吡啶）更利于反應的進行。當使用強堿NaOH、KOH時，反應往往出現(xiàn)很多副產(chǎn)物，當使用弱堿時NaHCO3時，反應物轉化率不高。碳酸鉀在反應中表現(xiàn)出較好的活性，使得反應產(chǎn)率達到76%，因此選擇碳酸鉀為反應的最佳堿。</p><p>　　2.3.2不同的溶劑對反應的影響</p><p>　　上表所示經(jīng)過反復的做實驗得出不同

35、的產(chǎn)率，如表2所示：</p><p>　　表2.溶劑對Sonogashira反應的影響</p><p>　　如上表所示結果表明 如上表所示結果表明 在相同的堿性條件下，篩選不同類型的溶劑（DMA、DMF、1,4-二氧六環(huán)、水，正丁醇等），正丁醇作為溶劑時反應活性較好，產(chǎn)率達到76%。因此選擇正丁醇為反應的溶劑。</p><p>　　綜上我們選定的最優(yōu)反應條件是：以正

36、丁醇為溶劑，K2CO3為堿，溫度100 ℃，反應時間20小時。</p><p>　　2.3.3不同的底物收率</p><p>　　2.3.3.1不同的取代溴苯</p><p><b>　　底物的擴展</b></p><p>　　如表3所示結果表明，鎳催化體系對不同的芳基溴均有催化活性，無論是含有供電子基團還是吸電子基團的

37、芳香族溴代物，在該催化體系下，均能與苯乙炔反應。從電子效應角度看，芳環(huán)上帶有吸電子基團的溴代物較具有供電子基團的底物反應活性高。從空間位阻的角度看，鄰位含有取代基的芳香族溴代物的活性較低，這可能是由于空間位阻較大，阻礙了催化劑中心金屬與底物的氧化加成。在堿性條件下，官能團醛基可能會發(fā)生水解或縮合反應，在我們的體系中，這類底物轉化率不錯，說明我們的催化體系具有良好的官能團耐受性。</p><p>　　表3 苯乙炔與

38、不同取代溴苯的“copper-free”Sonogashira反應</p><p>　　2.3.3.2不同溴代雜環(huán)芳烴、氯代雜環(huán)芳烴與苯乙炔的反應</p><p>　　由于底物上的氮原子對金屬催化活性中心具有毒害作用，因此關于溴代雜環(huán)芳烴、氯代雜環(huán)芳烴的報道較少。如上表所示結果表明，鎳催化體系對不同溴代雜環(huán)芳烴、氯代雜環(huán)芳烴均有一定的催化活性。從表可以看出炔烴與3-溴喹啉的Sonogash

39、ira反應產(chǎn)率達到79%。而氯代雜環(huán)底物的反應活性更低，對于含吸電子基團的對硝基氯苯，只得到28%的轉化率。</p><p>　　表4 不同溴代雜環(huán)芳烴、氯代雜環(huán)芳烴與苯乙炔的“copper-free”Sonogashira反應</p><p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　本章發(fā)展了一個相對來說更為簡便，成本較低，綠

40、色的無需外加銅鹽的鎳催化外加配體的Sonogashira偶聯(lián)反應體系。</p><p>　　主要考察了堿和溶劑對反應的影響，根據(jù)實驗結果選定了最優(yōu)條件：以正丁醇為溶劑，K2CO3為堿，溫度100 ℃，反應時間20小時。</p><p>　　根據(jù)研究結果表明該鎳催化的Sonogashira反應體系對不同的芳基溴，不同溴代雜環(huán)芳烴、氯代雜環(huán)芳烴均有一定的催化活性。</p><

41、;p><b>　　結論</b></p><p>　　發(fā)展了一個相對來說更為環(huán)保，簡便的，成本較低，不需要外加銅鹽外加配體的鎳催化Sonogashira反應體系。反映在不同的堿性條件下，不同的溶劑作為溶劑，變換不同的底物情況下均有較好的催化效果及活性。比起傳統(tǒng)的Pd/Cu作為催化劑的Sonogashira反應，鎳催化的Sonogashira偶聯(lián)反應體系表現(xiàn)出了表現(xiàn)出了不錯的催化活性及優(yōu)點

42、（如：廉價，催化劑回收率較高，環(huán)保等等）。</p><p>　　發(fā)展了一個無需外加銅的單一的鎳催化Sonogashira反應體系。對底物的擴展得到了較好的催化效果。該反應體系條件溫和，操作簡單，試劑廉價易得。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　時間過的好快 大學生涯即將結束?；叵氪髮W四年生活充滿了風采，充滿了挑戰(zhàn),和

43、大學同學一起度過的歡樂的時光也即將成為回憶。現(xiàn)在想起來大學的四年不論在生活，學習以及思想上都使我得到了很大的成長在以后的日子里這將是一段美好并值得懷念的記憶，會讓我終身受用。</p><p>　　本論文的完成得益于我的導師周蓉老師的悉心指導。不論在論文的修改以及改進中有她無私的指導和幫助，為此老師傾注了大量的心血，論文的最終完稿得基于老師支持與幫助。周老師的悉心指導，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度以及深厚的學識讓我受益匪淺，在此

44、我表示衷心的感謝。</p><p>　　由于我學術水平有限，所完成的論文難免會有不足之處，望老師和學友指正與批評！</p><p>　　最后，非常感謝新疆農(nóng)業(yè)大學及化學工程學院對我的培養(yǎng)！</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] Stafan Brse.Palladium –catal

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