专利名称：交叉偶联反应的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种制备胶体催化剂的方法。
背景技术：
用于有机亲电试剂，如芳基卤、重氮盐或三氟甲基磺酸盐(triflate)化合物，与硼酸或硼酸酯交叉偶联的铃木(Suzuki)反应，是一种在合成有机化合物例如如下图所示的联芳基化合物中用于形成碳-碳键的反应。该反应也用于农用化学品、聚合物和药物中间体的合成。铃木反应也可以用于制备电荷传输分子，如三芳基胺。例如，该反应可以用于制备应用在感光器和有机发光二极管(“OLEDs”)中的空穴传输分子。
铃木反应范例可供选择的铃木催化剂可以是在有磷配位体存在下的钯(0)络合物，例如Pd(dppf)2或Pd(PPh3)4。钯的高成本使得利用该反应制备有机化合物的过程十分昂贵。这项费用还包括从产品中除去催化剂过量造成的钯残留的清洁成本。这些催化剂同时具有如下缺点它们对氧化反应非常敏感，而且由于它们的保存期限，尤其是溶液形式下的保存期限短暂，使其很难应用于工业生产。而且，这些化合物对热十分敏感，所以活性相对低的芳香化合物在高温下反应会导致催化剂迅速钝化沉淀出钯黑。据报道，氯化芳基镍也是一种有效的催化剂，但是会造成暴露危害。
在J.Am.Chem.Soc.2002，124，11858-11959中描述了将包含钯-Pt和/或Ru和/或Cu混合物的改进型胶体催化剂用于铃木反应。该文献记载这种胶体催化剂可以用作铃木催化剂。据报道，在该文献中引用的双金属胶体催化剂组合中，Cu/Pd在苯基硼酸和碘苯交叉偶联形成联苯的过程中最具活性(与纯钯水平相当)。虽然该文献中指出在(磷)配位体存在下钯(0)络合物是一种铃木反应中可选择的催化剂，但是文中并没有对该催化剂作直接的比较。
日本公开03160876JP中也对Cu∶Pd催化剂进行了描述。据描述，这种催化剂可用于无电电镀过程，以简化形成无电金属电镀膜的金属电镀图案的过程。无电电镀的催化剂包括一种含有合金的胶体，该合金由选自第一组金属元素中的一种和选自第二组金属元素中的至少一种组成，其中第一组金属由钯和铂组成，第二组金属由括银和铜组成。
在该文献中描述了J.Am.Chem.Soc.2002，124，11858-11959中的纳米胶体的制备方法(在已发表的“参考文献”中作为文章的参考)，该方法需要混合金属氯化物前体的均匀储备溶液，随后在二甲基甲酰胺(“DMF”)中用四辛基甲酸铵(“TOAF”)进行还原。据报道纳米簇催化剂可以通过将二甲基甲酰胺(“DMF”)中的金属氯化物放入装备有橡胶隔膜和磁力搅拌、已经被抽真空并且重新充入N2的Schlenk型容器中而形成。然后向溶液中加入溶于二甲基甲酰胺(“DMF”)的四辛基甲酸铵(“TOAF”)，并且加热至65℃，混合物在N2轻微超压下连续搅拌24小时。据载当胶态悬浮体形成时，混合物的颜色发生变化。之后，该悬浮体保存于氮气中。
据载四辛基甲酸铵(“TOAF”)是通过Masse，Ph.D.Thesis，VerlagMainz，Aachen，1999，ISBN 3089653-463方法的改进方法制得的。四辛基甲酸铵(“TOAF”)的制备过程涉及四正辛基溴化铵(“TOAB”)与甲酸通过使用离子交换树脂进行的交换反应，是相当复杂的。所述离子交换树脂悬浮于氢氧化钠溶液中并且填充入离子交换柱，随后用NaOH冲洗该离子交换柱。然后用蒸馏水冲洗该离子交换柱，随后用甲酸溶液、蒸馏水和甲醇冲洗。树脂放置膨胀1小时，然后用四正辛基溴化铵(“TOAB”)的甲醇溶液冲洗，直至用AgNO3检测流出物中的氯化物呈阳性。用旋转蒸发仪蒸出适量的甲醇，四辛基甲酸铵(“TOAF”)的粗产品(轻油)在真空下干燥24小时。四辛基甲酸铵(“TOAF”)溶于二甲基甲酰胺(DMF)的储备溶液将用于合成胶体。
由于催化剂的制备时间是冗长的，所以这个方法是相当费时的。制备该树脂可能需要一天或者更长的时间，并且在每次使用之前，树脂必须进行更新。树脂的价格可为每公斤树脂$100-$500，并且每交换一克物质至少必须使用20倍于其数量的树脂。
发明内容
本发明公开了以下方面的内容甲酸盐、铜金属盐和铜以外的金属盐形成反应混合物，用来形成铜金属盐胶体催化剂，以及一种方法，包括在惰性气氛下、在包括至少一种铜盐和至少一种钯盐的溶液中，形成还原试剂，其数量能够还原所述铜盐和钯盐。
具体实施例方式
在实施方案中阐明了一种制备在J.Am.Chem.Soc.2002，124，11858-11959中描述的胶体催化剂的方法，该方法无需通过离子交换树脂单独形成四辛基甲酸铵(“TOAF”)。进一步的实施方案可以将J.Am.Chem.Soc.2002，124，11858-11959中提出的用于形成胶体催化剂的辛苦的多步过程，简化为一个简单反应。如J.Am.Chem.Soc.2002，124，11858-11959中所述的金属盐胶体催化剂可以不必通过首先生成四辛基甲酸铵(“TOAF”)的辛苦方法来制备，而是以原位制备代替。
通过这种方法制备的胶体催化剂可以用于众多交叉偶联反应，包括但不限于铃木反应、Stille、Heck、Sonagashira、Negishi、Ullmann、Grignard交叉偶合反应、Buchwald-Hartwig胺化反应和催化成醚反应。
在一个实施方案中，提供了一种方法，该方法包括将以下化合物混合成为一种溶液，所述化合物包括有机溶剂、相转移催化剂、与相转移催化剂的摩尔比为约0.25到约5.0或约0.5到约2.5的甲酸盐、和至少一种铜盐、其他金属盐或它们的混合物，盐的浓度为混合物的约0.0001到约8当量或者约0.0001到约2当量，或者约0.001到约0.8当量。该方法还可包括将这种溶液加热至约40℃到约100℃的温度，以形成铜金属盐胶体催化剂。反应温度也可以为约55℃到约70℃。甲酸盐可选自下述化合物中的至少一种甲酸锂、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯、NR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基，或PR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地中H或C2-C18烃基。所述相转移催化剂为NR1R2R3R4卤化物，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基。所述相转移催化剂可以是四辛基卤化铵。至少一种盐可以是CuCl2。所述金属盐中的至少一种金属可以选自下列金属中的至少一种镍、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂和金，或者所述金属盐中的至少一种金属选自下列金属中的至少一种铂、钯和钌。金属盐中的金属可以是钯。金属盐可包括PdCl2。有机溶剂可包括二甲基甲酰胺。甲酸盐可为甲酸铵。
在另外一个实施方案中，提供了一种方法，该方法包括在置于惰性气氛中的、包含至少一种铜盐和至少一种钯盐的溶液中，形成用于还原所述至少一种铜盐和至少一种钯盐的还原剂。该方法也可包括将所述溶液加热至约40℃到约100℃，或约55℃到约70℃，以形成一种铜钯胶体催化剂。所述还原剂可以通过甲酸盐与相转移催化剂反应制得。
在一个可替换的实施方案中，提供了一种方法，包括在置于惰性气氛中的、包含有机溶剂、金属盐和铜盐的溶液中，形成用于还原该溶液中所述金属盐和所述铜盐的还原剂。该方法可进一步包括加热该溶液至约40℃到约100℃，或约55℃到约70℃，以形成纳米胶体催化剂。所述还原剂可以通过甲酸盐和相转移催化剂反应制得。所述甲酸盐可选自下述化合物中的至少一种甲酸锂、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯或NR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基，或PR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基。相转移催化剂为NR1R2R3R4卤化物，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基，并可以为四辛基卤化铵。有机溶剂可以包括二甲基甲酰胺。甲酸盐可以是甲酸铵。所述金属盐中的金属可以选自以下金属中的至少一种镍、钌、铑、钯、银、锇、铱、铂和金，或选自铂、钯和钌中的至少一种。金属盐可以为CuCl2或PdCl2。
胶体催化剂可以通过同时混合甲酸盐、相转移催化剂和金属盐来制备，其中，所述甲酸盐包括锂、钠、钾、铯、NR1R2R3R4的甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4可独立地选自H或含有约2至约18个碳的烃基，PR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4可独立地选自H或含有约2至约18个碳的烃基；所述相转移催化剂包括NR1R2R3R4卤化物，其中R1、R2、R3和R4可独立地选自H或含有约2至约18个碳的烃基(如四辛基溴化铵)；所述金属盐包括铜盐和含Ni、Pd、Pt、Rh、Ir、Ru、Os等金属的非铜金属盐。催化剂的制备数量可以足够完成铃木反应的催化循环，即依次进行的氧化加成反应-金属转移反应-还原消除反应。
甲酸盐可以选自以下甲酸盐中的至少一种甲酸锂、甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯、或NR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基，如甲酸铵，或PR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基。相转移催化剂为NR1R2R3R4卤化物，其中R1、R2、R3和R4独立地是H或C2-C18烃基。相转移催化剂可以是四辛基卤化铵。至少一种铜盐可以为CuCl2。至少一种钯盐可以为PdCl2。溶液可以包含二甲基甲酰胺。反应混合物中甲酸盐与相转移催化剂的摩尔比可以为约0.25到约5.0，或约0.5到约2.5。至少一种铜盐、其他金属盐、或它们的混合物的加入量可以为约0.0001当量到约0.8当量，或约0.001当量到约0.08当量。反应混合物的温度可以为约40℃到约100℃，或约50℃到约70℃。
可以通过本文所述方法制得的可以用于进行铃木反应的特别有用的胶体催化剂是50％∶50％Cu/Pd催化剂，该催化剂可提供与在磷配位体存在下的钯(0)络合物(如四(三苯基膦)钯)相同的收率。
实施例I催化剂的制备将二甲基甲酰胺(“DMF”)放入氩气气氛下的烧瓶中。向烧瓶中加入1.0当量的甲酸铵、1.0当量的四辛基溴化铵和总共0.4当量的CuCl2和PdCl2。然后将混合物加热至65℃，保持约8至约24小时，然后冷却。该胶体催化剂可以直接用于铃木反应。
典型反应将以上制备的催化剂用于典型的铃木反应，即溴化苯和苯基硼酸在含有K2CO3的二甲基甲酰胺(“DMF”)中，于100℃进行约8到约24小时的偶联反应。与四(三苯基膦)钯(2mol％)相比，50％Cu/50％Pd催化剂具有相似的产率，即联苯的产率接近100％。
实施例IIN，N-(3，4-二甲基苯基)-4-氨基联苯，一种众所周知的用于感光器的空穴传输材料(“HTM”，(Bender等，Chem.Mater.2001，13，4105-4111)的合成可以利用铃木反应，使适当的溴代三芳基胺与苯基硼酸发生偶联反应随后产生联芳基体系来实现。
在0.412g碳酸钾和10mL二甲基甲酰胺(DMF)存在下，在6mL胶体催化剂溶液(2mol％)的作用下(三种不同的催化剂，其中钯含量逐渐增加)，浓度为160mM的N，N-(3，4-二甲基苯基)-4-溴苯胺(0.38g)与浓度为240mM的苯基硼酸(0.183g)在100℃下反应8-24小时，制得N，N-(3，4-二甲基苯基)-4-氨基联苯。在产品收率方面与市售的四(三苯基膦)钯催化剂进行比较。在每个反应中，每种催化剂的使用浓度为2mol％。结果在表I中列出。从中看见，对于50％Pd∶50％Cu胶体，产品与原料的百分比几乎与Pd(PPh3)4的相同(74％对76％)。
表I
反应条件，如反应温度、溶剂、催化剂可在任何一个具体的铃木反应中优化，并且Cu/Pd胶体催化剂中钯的最适宜量可以在反应方案之间稍做改变。
权利要求
1.一种方法，包括混合有机溶剂、相转移催化剂、甲酸盐、铜金属盐和非铜金属盐形成反应混合物，以形成铜金属盐胶体催化剂。
2.根据权利要求1的方法，其中所述甲酸盐是一种或多种下列甲酸盐甲酸锂，甲酸钠，甲酸钾，甲酸铯，或NR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地为H或C2-C18烃基，或PR1R2R3R4甲酸盐，其中R1、R2、R3和R4独立地为H或C2-C18烃基。
3.一种方法，包括在惰性气氛下、在含有至少一种铜盐和至少一种钯盐的溶液中，形成其数量能够还原所述铜盐和所述钯盐的还原试剂。
全文摘要
一种制备用于铃木偶联反应的铜/钯胶体催化剂的方法。
文档编号B01J31/00GK1736599SQ200510088170
公开日2006年2月22日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年7月30日
发明者J·A·科甘, N·-X·胡, H·B·古德布兰德, T·P·本德 申请人:施乐公司