一种纤维素气凝胶负载催化剂催化Suzuki-Miyaura偶联反应的方法

一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法
技术领域
1.本发明涉及催化剂固载化技术领域，尤其是涉及一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法。


背景技术：

2.目前，suzuki-miyaura偶联反应以其底物适用面广，反应条件温和，对热、空气和水稳定，副产物大多无毒且易于进行后处理等优点，在实验室合成和有机精细品和药物的工业合成上得到了极为广泛的应用。
3.suzuki-miyaura偶联反应的催化循环过程一般包括了氧化加成，金属转移以及还原消除等基元反应。催化循环的开始是有机亲电体与零价钯发生氧化加成反应生成r
1-pd-x二价钯中间体，然后经过金属转移反应与有机硼化物生成r
1-pd-r2中间体，最后经还原消除得到偶联产物r
1-r2，同时释放出零价态的钯重新参与催化循环。
4.但在醋酸钯催化suzuki-miyaura偶联反应过程中，容易有钯黑的形成，这不仅对实验的进行产生影响，使得产率变低，也使醋酸钯消耗增加。而醋酸钯价格昂贵，大量消耗会增加实验成本。
5.目前的负载型醋酸钯大多使用硅胶一类，其催化suzuki-miyaura偶联反应的转化率远不如均相的醋酸钯。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法，解决了上述背景技术中醋酸钯消耗量大，实验成本高，负载型醋酸钯转化率低的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法，包括如下步骤：
8.s1、制备纤维素气凝胶(gpa)；
9.s2、制备改性纤维素气凝胶(m-gpa)：将步骤s1中获得的纤维素气凝胶放入含有无水乙醇、冰乙酸、甲基三甲氧基硅烷混合液的烧杯中，室温下浸泡8-10h；浸泡完成后，用蒸馏水水洗至中性，之后用叔丁醇置换，室温下放置12h，放入冰箱冷冻24h，取出后放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥72h后取出，获得改性纤维素气凝胶；
10.s3、醋酸钯固定(制备催化剂pd/m-gpa)：将5～10mg醋酸钯溶解在5～15ml二氯甲烷中，置于烧杯内，然后加入35～45mg改性纤维素气凝胶，用保鲜膜将烧杯封口后放入低温恒温搅拌反应浴中，固定转速，搅拌16～24h，然后将其置于室温干燥24h，得到催化剂pd/m-gpa。
11.优选的，步骤s1中，纤维素气凝胶(gpa)的制备过程为：将新鲜柚皮切成大小适宜长方体块，置于烧杯内，使用保鲜膜封口后放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥4天后取
出，获得纤维素气凝胶。
12.优选的，suzuki-miyaura偶联反应的步骤为：将芳基卤化物、苯基硼酸、碳酸钾、pd/m-gpa依次加入到对二甲苯中，在环境大气回流气氛中130～150℃、300r搅拌反应20～60分钟；反应完成后(通过tlc检测)，取出催化剂pd/m-gpa；然后通过减压蒸发有机相，留下粗产物，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到所需要的交叉偶联产物。
13.优选的，所述混合液中无水乙醇、冰乙酸、甲基三甲氧基硅烷的所占质量分数分别为：无水乙醇97wt％、冰乙酸1wt％、甲基三甲氧基硅烷1wt％。
14.优选的，步骤s3中，所述醋酸钯加入量为苯硼酸摩尔量的0.01％～0.015％。
15.优选的，步骤s3中，所述改性柚皮气凝胶质量分数为0.3～0.7wt％。
16.优选的，步骤s3中，低温恒温搅拌反应浴温度设置为20～25℃。
17.因此，本发明采用上述一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaur a偶联反应的方法，保证了suzuki-miyaura偶联反应产率的同时，实现了醋酸钯催化剂的多次循环利用，大大降低了试验成本，同时推动了负载型醋酸钯的研究和应用。
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
19.图1为本发明一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法中改性前后柚皮气凝胶不同放大倍数的扫描电镜图；
20.图2为本发明一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法中改性前后柚皮气凝胶吸附pd(oac)2不同放大倍数的扫描电镜图；
21.图3为本发明一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法中改性前后的柚皮纤维素气凝胶的xrd图谱；
22.图4为本发明一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法实施例改性前后的柚皮纤维素气凝胶吸附醋酸钯的xrd图谱；
23.图5为本发明一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法中催化剂pd/m-gpa-1的催化循环试验。
具体实施方式
24.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
25.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
26.实施例一
27.一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法，包括如下步骤：
28.s1、制备柚皮气凝胶(gpa)：将新鲜柚皮切成2.5cm
×
2.8cm
×
1.8cm规整的长方体块，置于50ml塑料烧杯中，使用保鲜膜封口后放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥4天后取出，获得柚皮气凝胶；
29.s2、制备改性柚皮气凝胶(m-gpa)：将s1中获得的柚皮气凝胶放入含有97ml无水乙醇，1ml冰乙酸和1ml甲基三甲氧基硅烷的混合液的烧杯中，室温下浸泡9h；浸泡完成后，用
蒸馏水水洗至中性，之后用叔丁醇置换，室温下放置12h，放入冰箱冷冻24h，取出后放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥72h后取出，获得甲基三甲氧基硅烷改性柚皮气凝胶(m-gpa-1)；
30.s3、醋酸钯固定(制备催化剂pd/m-gpa)：将5mg醋酸钯溶解在5ml二氯甲烷中，置于50ml烧杯内，然后加入37mg m-gpa，用保鲜膜将烧杯封口后放入低温恒温搅拌反应浴中，低温恒温搅拌反应浴温度设置为20℃，固定转速，搅拌24h；然后将其置于室温干燥24h，得到催化剂pd/m-gpa-1。
31.步骤s3中，醋酸钯加入量为进行suzuki-miyaura偶联反应时苯硼酸摩尔量的0.01％～0.015％，改性柚皮气凝胶质量分数为0.3～0.7wt％。
32.实施例二
33.与实施例一实验条件相同，将醋酸钯负载于未改性的柚皮气凝胶上，获得pd/gpa。
34.实施例三
35.与实施例一实验条件相同，使用硫化钠对柚皮气凝胶进行改性，具体步骤如下：
36.在步骤s1获得的柚皮气凝胶基础上，按照柚皮气凝胶:硫化钠溶液＝1:5的比例加入浓度为1.5mol/l的硫化钠溶液，用玻璃棒搅拌均匀，在室温下静置12h之后，用蒸馏水多次清洗至中性，用ph试纸检测。
37.水洗至中性后，用叔丁醇置换，室温下放置12h，放入冰箱冷冻24h，取出，放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥72h，之后将其取出，则获得用硫化钠改性的柚皮气凝胶(m-gpa-2)。
38.再按照实施例一s3的步骤，将醋酸钯负载于用硫化钠改性的柚皮气凝胶上，获得催化剂pd/m-gpa-2。
39.实施例四
40.与实施例一实验条件相同，使用氢氧化钾对柚皮气凝胶进行改性，具体步骤如下：
41.在步骤s1获得的柚皮气凝胶基础上，以koh为活性剂，把柚皮气凝胶与氢氧化钾(25％)溶液按照质量比为1:3的比例混合，在室温下浸泡12h之后，用蒸馏水多次清洗至中性，用ph试纸检测。
42.水洗至中性后，用叔丁醇置换，室温下放置12h，放入冰箱冷冻24h，取出后放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥72h，之后将其取出，则获得用氢氧化钾改性的柚皮气凝胶(m-gpa-3)。
43.再按照实施例一s3的步骤，将醋酸钯负载于用氢氧化钾改性的柚皮气凝胶上，获得催化剂pd/m-gpa-3。
44.实施例五
45.与实施例一实验条件相同，使用磷酸氢二钾对柚皮气凝胶进行改性，具体步骤如下：
46.在步骤s1获得的柚皮气凝胶基础上，以k2hpo4为活性剂，将柚皮气凝胶与磷酸氢二钾(25％)溶液按照质量比1:3的比例混合，在室温下浸泡12h之后，用蒸馏水多次清洗至中性，用ph试纸检测。
47.水洗至中性后，用叔丁醇置换，室温下放置12h，放入冰箱冷冻24h，取出，放入冷冻干燥机中，在80℃下冷冻干燥72h，之后将其取出，则获得用磷酸氢二钾改性的柚皮气凝胶
(m-gpa-4)。
48.再按照实施例一s3的步骤，将醋酸钯负载于用氢氧化钾改性的柚皮气凝胶上，获得催化剂pd/m-gpa-4。
49.实验测试
50.(一)对柚皮气凝胶和改性柚皮气凝胶的粉末状样品进行了不同放大倍数的电镜扫描。如图1所示，a、b为改性前柚皮气凝胶的电镜图；c为甲基三甲氧基硅烷改性的柚皮气凝胶电镜图；d为图c的局部放大图；e、f为硫化钠改性的柚皮气凝胶电镜图；g为氢氧化钾改性的柚皮气凝胶电镜图；h为图g的局部放大图；i为磷酸氢二钾改性的柚皮气凝胶电镜图；j为图i的局部放大图。
51.结果显示，改性前柚皮气凝胶具有蜂窝状的多孔结构，有大量的微细孔道，内部的孔隙形状多行不一，层状结构间紧密排列，蜂窝状结构规则较松散。改性后的柚皮气凝胶表面显示出3d互连多孔结构，具有许多分布均匀的小孔洞，且呈现出不规则形状的植物薄片组织。每个多孔结构都松散填充着开放空间。证明了实施例中改性剂对柚皮气凝胶的改性效果较好。
52.(二)使用扫描电镜分别对催化剂pd/gpa和pd/m-gpa进行测试。如图2所示，a、b为pd/gpa的sem图像；c、d为pd/m-gpa-1的sem图像；e、f为pd/m-gpa-2的sem图像；g、h为pd/m-gpa-3的sem图像；i、j为pd/m-gpa-4的sem图像。
53.与图1未吸附醋酸钯的扫描电镜图相比，将醋酸钯负载在柚皮气凝胶与改性柚皮气凝胶上，生成催化剂pd/gpa和pd/m-gpa之后，催化剂pd/gpa和pd/m-gpa的形貌与gpa和m-gpa几乎没有明显变化，仍然呈三维网状多孔空间结构并具有规则形状的植物薄片组织。说明载体gpa与m-gpa负载醋酸钯生成催化剂后，仍然保持着原有的形貌结构。
54.(三)分别对柚皮气凝胶和改性柚皮气凝胶、催化剂pd/gpa和pd/m-gp a进行xrd图谱检验，如图3、图4所示。
55.从图中可以看出，载体gpa与m-gpa和催化剂pd/gpa与pd/m-gpa的衍射峰一致，说明了醋酸钯和gpa与m-gpa配位后，gpa与m-gpa的晶体结构没有被破坏。并且，pd/gpa在2θ＝38.78
°
新生成的特征衍射峰为pd(ⅱ)的(111)晶面，pd/m-gpa在2θ＝39.06
°
新生成的特征衍射峰为pd(ⅱ)的(111)晶面。因此，进一步表明了醋酸钯已经附着在改性前后的柚皮气凝胶上，生成了催化剂pd/gpa与pd/m-gpa。
56.(四)将pd/gpa和pd/m-gpa两种催化剂分别投入到以溴苯(39mg，0.25mmol)和苯硼酸(61mg，0.5mmol)为反应物的suzuki偶联反应中，通过气相色谱(gc)分析，计算收率，得到最佳反应的催化剂。
57.suzuki-miyaura偶联反应实验步骤为：将芳基卤化物、苯基硼酸、碳酸钾、pd/m-gpa依次加入到对二甲苯中，在环境大气回流气氛中130～150℃搅拌反应20～60分钟；反应完成后(通过tlc检测)，取出催化剂pd/m-gpa；然后通过减压蒸发有机相，留下粗产物，通过硅胶柱色谱进一步纯化，得到所需要的交叉偶联产物。
58.suzuki-miyaura偶联反应如下，在此过程中使用不同的催化剂，结果如表1所示。
[0059][0060]
表1suzuki偶联反应中催化剂的选择
[0061][0062][0063]
从表1中可以看出，催化剂pd/m-gpa-1催化的suzuki偶联反应的效果最佳，以优异的产率(96％)提供了交叉偶联产物，证明实施例一中甲基三甲氧基硅烷改性柚皮气凝胶负载催化剂的效果最好。
[0064]
(五)使用实施例一制备出的pd/m-gpa-1为催化剂，以溴苯和苯硼酸的suzuki-miyaura偶联反应为模型反应，对其进行了反应物底物的扩展，并且以k2co3和对二甲苯作为碱和溶剂检验了催化剂的活性。
[0065]
suzuki-miyaura偶联反应如下，在此过程中使用pd/m-gpa-1为催化剂，进行催化活性测试，结果如表2所示。
[0066][0067]
表2pd/m-gpa-1在suzuki-miyaura偶联反应中的催化活性测试
[0068]
entryar1xyield(％)b1hbr96％2hi97％3fbr94％4clbr94％5no2br91％6ocf3br96％7cnbr76％
[0069]
从表2中可以看出，催化剂pd/m-gpa-1在催化suzuki-miyaura偶联反应时，芳基卤代物的取代官能团对偶联反应的速率有影响，发生反应的难易顺序为ri＞rbr(entry1～
2)，并且以优异的产率(96～97％)提供了交叉偶联产物。接下来对芳基溴代物的不同取代基的电子效应进行了探究，在有吸电子基团存在时，如氟、氯、硝基、三氟甲氧基(entry3-6)，以优异的产率(91～96％)得到了交叉偶联产物，说明底物溴苯化合物苯环上连有吸电子基团时有利于偶联反应进行。
[0070]
其中，具有吸电子基团(-cn)的溴代芳烃发生suzuki-miyaura偶联反应得到的偶联产物的产率较其他吸电子基团低，原因为4-溴苄腈中的吸电子基团的定位效应为苯环的间位，-cn和苯环之间有一个-ch2，因此定位基团实际上是-ch2cn，其只有吸电子诱导效应，但没有吸电子共轭效应，是一个钝化苯环的邻对位定位基。以上结果表明了催化剂pd/m-gpa-1在催化suzuki-miyaura偶联反应中具有高催化活性。
[0071]
(六)催化剂pd/m-gpa-1的催化循环试验。
[0072]
使用溴苯(39mg，0.25mmol)、苯硼酸(61mg，0.5mmol)、碳酸钾(138mg，1.0mmol)、pd/m-gpa-1(35mg，1.0mol％)和4ml对二甲苯在140℃下搅拌反应混合物和环境大气回流下反应20分钟。在反应结束后，将催化剂pd/m-gpa-1取出，用乙酸乙酯润洗萃取，回收的催化剂在室温下干燥24h，然后直接使用。产物用乙酸乙酯萃取，用气相色谱(gc)分析，并计算出收率。在相同的条件下，催化剂连续使用四次。其中，溴苯可以更换为其它反应物底物进行催化循环实验。
[0073]
不同反应物底物进行催化循环实验的结果如图5所示，a为溴苯的催化循环，b为碘苯的催化循环，c为1-溴-4-氟苯的催化循环，d为4-溴氯苯的催化循环，e为1-溴-4-(三氟甲氧基苯)的催化循环，f为1-溴-4-硝基苯的催化循环，g为4-溴苄腈的催化循环。
[0074]
从图中可以看出，在催化过程中催化剂pd/m-gpa-1的催化活性在连续循环使用3～4次后才有较为明显的下降。而普通的钯催化剂在使用过程中活性下降极快，基本在使用一次以后就需要再次活化，才能参与反应。
[0075]
本实验中催化剂pd/m-gpa-1的催化活性下降的原因为：suzuki-miyaura偶联反应的卤代芳烃先与催化剂发生相互作用，卤代芳烃会吸附在纳米粒子表面的活性位点，这些活性位点主要在纳米颗粒的边缘点和顶点，这些位点的吸附性能最低。其次，钯纳米催化剂团聚和解离也对催化剂的催化活性有一定影响，纳米钯粒子在加热时，表面的催化剂钯原子脱离粒子进入溶液游离钯原子发生催化作用，同时溶液中游离的钯原子再次团聚到钯粒子表面形成动态平衡，环境温度的升高促使了纳米钯发生团聚现象，生成大颗粒的纳米钯粒子，降低了催化活性，甚至生成钯黑而失活。
[0076]
因此，本发明采用上述一种纤维素气凝胶负载催化剂催化suzuki-miyaura偶联反应的方法，保证了suzuki-miyaura偶联反应产率的同时，实现了醋酸钯催化剂的多次循环利用，大大降低了试验成本，同时推动了负载型醋酸钯的研究和应用。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。