用阳离子交换树脂负载型钯催化剂执行碳-碳偶合反应的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用负载有钯的强酸阳离子交换树脂催化的碳-碳偶合反应。
【背景技术】
[0002] 碳-碳偶合反应是一类重要的有机反应。偶合反应涉及两个烃片段的金属催化的 "偶合"。众所周知的实例包括：铃木（Suzuki)、赫克（Heck)、菌头（Sonogashira)、施蒂勒 (Stille)、卡萨尔（Cassar)、布赫瓦尔德-哈特维希（Buchwald-Hartwig)、熊田（Kumada)、 桧山（Hiyama)以及卡迪奥-肖德凯维奇（Cadiot-Chodkiewicz)偶合反应。参看例如：科 拉科特（Colacot)，2010年诺贝尔化学奖：钯催化的交叉偶合（The 2010Nobel Prize in Chemistry ：PalIadium-Catalysed Cross-Coupling)，〈〈钼族金属评论〉〉（Platinum Metals Review)，2011，（2)，84-90。已经描述了适用于偶合反应的各种聚苯乙烯负载型钯催化剂。 参看例如：巴苏（Basu)等人，《四面体通讯》（Tetrahedron Lett.) (2005)，46,8591_8593 ; 柳比莫夫（Lyubimov)等人，含钯超高交联聚苯乙烯作为在水和有机溶剂中制备用于铃木 反应的催化剂的便利途径（Palladium-Containing Hypercrosslinked Polystyrene As An Easy To Prepare Catalyst For Suzuki Reaction In Water And Organic Solvents)， 《反应性和功能性聚合物》（Reactive&Functional Polymers) 69 (2009) 755-758;周（Zhou) 等人，芳基卤化物与三芳基铋的可再用聚苯乙烯树脂负载型钯催化的原子有效交叉偶合反 应(Reusable, Polystyrene-Resin-Supported, Palladium-Catalyzed, Atom Efficient Cross-Coupling Reaction of Aryl Halides with Triarybismuths)，《欧洲有机化学杂 志》（European Journal of Organic Chemistry) (2010)，416_419;以及 US 2010/0119424。 这些催化剂包括通过非官能化的交联的聚苯乙烯吸附剂（例如DIAI0N? HP20100)或阴离 子交换树脂（例如MACR0NET? MNlOO和AMBERLITE? IRA 900)负载的钯。非官能化的交联 的聚苯乙烯吸附剂通常需要具商业利益的相对较高的钯负载，例如通常大于3wt %。钯的这 个高水平是催化剂成本和钯浸出的主要组成部分。并且虽然已经关于阴离子交换树脂报导 了更低的钯负载，但是所述树脂在80°C或更大的偶合反应温度下通常是热不稳定的。
【发明内容】
[0003] 在一个优选实施例中，本发明提供一种相比于先前在偶合反应中所用的离子交换 负载型钯催化剂来说钯效率更高的离子交换负载型钯催化剂。在另一个优选实施例中，本 发明提供一种热稳定性比先前在偶合反应中所用的离子交换负载型钯催化剂高的离子交 换负载型钯催化剂。在又另一个实施例中，本发明包括一种用于执行碳-碳偶合反应的方 法，所述方法包括在存在非均相催化剂的情况下组合偶合反应物以产生偶合反应产物的步 骤，其中本发明的特征在于所述非均相催化剂包括负载有钯的强酸阳离子交换树脂。因为 许多偶合反应是在碱性条件下执行的，所以本发明催化剂（包括阳离子聚合物载体）的有 效性是出人意料的。
【具体实施方式】
[0004] 本发明包括一种用于执行碳-碳偶合反应的方法。偶合反应的实例是众所周知 的并且包括：铃木、赫克、菌头、施蒂勒、卡萨尔、布赫瓦尔德-哈特维希、熊田、桧山以及卡 迪奥-肖德凯维奇偶合反应，并且尤其是铃木反应（例如被卤素取代的烃基与包括硼酸官 能团的烃基之间的反应）。本发明尤其适用于在碱性反应条件（例如PH超过7,并且优 选地超过8)下进行的偶合反应。本发明还适于在至少80°C、90°C并且甚至100°C (例如 90°C -200°C )的温度下进行的偶合反应。所述方法包括在存在非均相催化剂的情况下组合 偶合反应物以产生偶合反应产物。所述方法可以在单一容器中执行作为批处理或连续处理 的一部分。反应物可以使用例如甲醇、甲苯的合适溶剂以溶液形式提供。加热所述组合并 且将其维持在例如90°C到200°C或100°C到200°C的恰当偶合反应温度下。
[0005] 偶合反应物的选择不受特定限制并且包括在本领域中众所周知的那些。举例来 说，赫克偶合反应物包括被卤素取代的芳烃，例如包括苯或吡啶部分。熊田偶合反应物包括 乙炔与芳基卤化物或乙烯基卤化物。铃木偶合剂包括含有硼酸官能团的烃基和被卤素取代 的芳烃，例如包括苯或吡啶部分。在一个优选实施例中，偶合反应物包括以下各者中的至少 一个：被卤素取代的烃基、烯烃或炔烃。代表性反应流程提供如下：
[0006]
[0007] 本发明的非均相催化剂包括负载有钯的强酸阳离子交换树脂。所述催化剂的市 售实例包括AMBERLYST? CH10、CH28和CH43,全可购自陶氏化学公司（The Dow Chemical Company)。这些催化剂包括含有磺酸官能团的交联的聚苯乙烯基质。交联的基质优选地 是包含苯乙烯和二乙烯基苯的单体混合物的反应产物。所述基质优选地具有大孔网状 形态并且可以按球形珠粒形式提供，其可以具有均匀的大小分布或高斯分布（Gaussian distribution)(那些术语如在离子交换技术中通常所理解的）。所述珠粒的平均粒子直径 优选地是100 μ m到2_、更优选地150 μ m到I. 5mm并且甚至更优选地250 μ m到1_。所 述基质的表面积优选地是l〇m2/g到100m2/g、优选地15m2/g到75m 2/g并且更优选地20m2/g 到50m2/g。所述基质进一步优选地包括0.1 cmVg到0. 9cm3/g、优选地0. 2cm3/g到0. 7cm3/ g并且更优选地0. 25cm3/g到0. 5cm3/g的总孔隙率，并且平均孔径是50埃到2, 500埃并且 优选地150埃到1000埃。
[0008] 交联的共聚物基质可以接着通过在存在或不存在膨胀剂的情况下将共聚物基 质与例如硫酸、氯磺酸或三氧化硫的磺化剂组合来磺化。所述反应优选地在高温，例如 100°C _150°C下执行。参看例如：US 2366007、US 2500149、US 3037052、US 5248435、US 6228896、US 6750259、US 6784213、US 2002/002267 以及 US 2004/0006145,所述专利中的 每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。所述树脂所包括的磺酸基含量以多磺化阳离 子交换树脂的干重计优选地是5. Omeq/g到7. Omeq/g、更优选地5. lmeq/g到6. 5meq/g并且 甚至更优选地5. 2meq/g到6. Omeq/g。
[0009] 树脂负载有钯。用于将钯离子负载于树脂的适用技术描述在US 6977314、US 2011/0124922、US 2012/0004468以及US 2012/0004468中，所述专利的全部内容各自以引 用的方式并入本文中。更具体来说，可以通过使钯离子的水溶液与氢型阳离子交换树脂以 批量模式或柱模式接触，使多磺化阳离子交换树脂负载上钯。钯离子可以按盐形式的盐提 供。然后冲洗负载型阳离子交换树脂，使其不含残余盐或酸。所用金属盐的量经选择以使 得钯或钯离子最后将以约lg/L到15g/L(0. lwt%到2wt%负载量）阳离子交换树脂的量存 在，所述量可以通过常规分析测试方法测定。代表性负载方法如下：将1升氢（H)型多磺 化阳离子离子交换树脂倒入10_50g硝酸钯于0. 5-2升蒸馏水的溶液中并且允许钯被吸收 到阳离子交换树脂上持续约1到4小时并且然后从树脂倾析溶液。或者，可以通过使金属 盐水溶液通过多磺化阳离子交换树脂柱直到已经被树脂保留住了理想的钯水平为止，使多 磺化