劉恒爍,遇治權,孫志超,王 瑤,劉穎雅,王安杰

(大連理工大學化工學院,大連 116024)

C—N鍵的構建在自然界和人類社會中都是一個重要的研究課題,在生物分子科學、 有機合成、 藥物化學和材料化學領域中具有重要地位[1～3].因此,科學家們開發(fā)了許多有效構建C—N鍵的方法.傳統的化學方法主要依靠自身的活性官能團間進行轉化.20世紀初,過渡金屬的引入提供了一種快速便捷的合成復雜分子的方法,為C—N鍵的構建提供了新思路.常用的過渡金屬包括Pd,Rh,Au,Ag和Ni等[4～6].在催化反應中貴金屬因其自身的原子特性而具有良好的催化活性,但高昂的價格和稀缺的資源限制了其廣泛應用.因此,自1998年Chan等[7]和Lam等[8]將Cu應用于C—N偶聯反應后,Cu的綠色和經濟性逐漸引起人們的關注.Chan-Lam偶聯反應是將胺鹽與芳基硼酸在銅催化下進行的偶聯反應.在溫和的反應條件下,Cu可促進親電性不飽和碳與親核性氮直接成鍵.研究表明,Chan-Lam偶聯反應可用于多種親核試劑[9].

傳統工業(yè)主要使用均相催化劑,雖然反應效率很高,但要花費大量時間和金錢進行分離回收再利用.因此,研究人員嘗試將過渡金屬固載在多孔材料上,作為Chan-Lam偶聯反應中的非均相催化劑,以便于分離和回收,目前研究較多的有石墨烯[10]、 多種聚合物[11～13]和金屬-有機骨架(MOF)微孔材料[14,15]等.應當指出,堿在Chan-Lam偶聯反應中非常重要,它促進反應的脫質子過程,從而促進親核試劑的N-芳基化.然而,大多數多孔材料不耐堿,例如弱的配位鍵作用使MOF骨架在反應所需的高極性和堿性環(huán)境下難以穩(wěn)定存在,從而限制了其在Chan-Lam偶聯反應中的應用[16,17].

共價有機骨架(COFs)通過有機單體之間的共價鍵進行連接,是結構規(guī)整有序的多孔結晶材料.COFs的高比表面積、 高結構穩(wěn)定性和良好的結晶度使其可應用于氣體儲存和吸附、 多相催化及光電等多個領域[18～20].因為通過共價鍵連接,COFs具有很高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,可以在水、 有機溶劑,甚至是強酸強堿環(huán)境下保持結構穩(wěn)定[21～23].因此,COFs非常適合作為活性組分的穩(wěn)定載體.近年來,由于具有大量不飽和銅配位位點和高表面積,銅基COF被認為是相應的均相催化劑的有效替代物,并且可以替代貴金屬催化劑.Han等[24]報道了一種聚酰亞胺共價有機骨架材料(PI-COF),并進一步固載了活性組分銅,可有效催化苯硼酸與胺類的Chan-Lam偶聯反應.該催化劑重復使用至少8個循環(huán)而沒有明顯的催化活性變化.Pillaiyar等[25]將Cu(Ⅱ)離子固載在一種新型介孔共價三嗪骨架(MCIP)材料上,發(fā)現其在生物活性胺與芳基硼酸之間的Chan-Lam交叉偶聯反應中表現出優(yōu)異的催化活性,該反應條件溫和、 底物范圍廣泛、 催化劑可重復使用且不降低反應活性.以上研究為這種新興材料的設計和催化應用提供了更多可能.

本文研究了苯硼酸與咪唑的Chan-Lam偶聯反應中,修飾了活性組分銅的亞胺類共價有機骨架材料Cu@TpBpy的催化活性; 考察了溶劑、 銅源、 堿及反應時間等因素對反應的影響.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2,4,6-三羥基-1,3,5-苯三甲醛(Tp,純度97%)和2,2′-聯吡啶-5,5′-二胺(Bpy,純度97%),購于鄭州阿爾法化工有限公司; 苯硼酸(純度97%)和三氟甲基磺酸銅(純度98%),購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 正癸烷(A.R.級),購于上?；瘜W試劑一廠; 乙酸銅一水合物(純度99%),購于上海麥克林生化科技有限公司; 硝酸銅(A.R.級),購于天津市科密歐化學試劑有限公司; 咪唑(純度99%)、 碘化亞銅、 氯化銅、 硫酸銅、 氯化亞銅、 碳酸鈉、 碳酸鉀、 吡啶、 三乙胺、N,N-二甲基乙酰胺(DMA)、 鄰二氯苯(o-DCB)、 乙腈、 乙醇、 二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、 二氧六環(huán)、 無水甲醇、 二氯甲烷、 甲苯和1,2-二氯乙烷均購于國藥集團化學試劑有限公司.

Smartlab9kw型粉末X射線衍射儀(PXRD,日本Rigaku公司),CuKα射線,λ=0.15418 nm,工作電壓45 kV,工作電流200 mA,掃描范圍3°～50°,掃描速度為8°/min,掃描步長0.02°; EQUINOX55型傅里葉變換紅外光譜(FTIR,德國Bruker公司),KBr壓片,測試范圍400～4000 cm-1; Q500 TGA型熱分析儀(TGA,美國TA公司),N2氣氛,加熱范圍22～800 ℃,加熱速率10 ℃/min; Nova NanoSEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM,美國FEI公司),加速電壓3.0 kV,樣品經噴金處理; TF30型透射電子顯微鏡(TEM,美國Thermo Scientific公司),加速電壓300 kV,銅網測試; Optima2000DV型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES,美國PerkinElmer公司),樣品預先用強酸消解; Tristar Ⅱ 3020型氮氣物理吸附儀(美國麥克公司),樣品測量前于120 ℃真空干燥過夜活化; Multilab 2000型X射線光電子能譜儀(XPS,美國Thermo Scientific公司)用于測定材料上銅元素的電子性質,AlKα光源,通過能為20 eV,以C1s峰(284.6 eV)為基準來校準其它元素的XPS峰位置; Agilent 7890B型氣相色譜系統(GC,美國Agilent公司),HP-5色譜柱; AVANCEⅢ 500型核磁共振波譜儀(NMR,德國Bruker 公司),樣品預先經脫水處理.

1.2 實驗過程

1.2.1 TpBpy的合成 參照文獻[21]報道采用溶劑熱法,通過醛胺脫水縮合反應在酸催化下合成COF材料TpBpy(見Scheme 1).按照化學計量比將63 mg(0.3 mmol)Tp和83.7 mg(0.45 mmol)Bpy添加到Schlenk反應管中,加入4.5 mL DMA和1.5 mLo-DCB的混合溶劑,再加入0.6 mL 6 mol/L AcOH水溶液.超聲15 min使其混合均勻,并通過3個冷凍-泵-解凍循環(huán)脫氣,最后將反應管真空密封,置于干式加熱器中于120 ℃加熱72 h.冷卻至室溫后,將產物濾出并用大量的DMA和水洗滌,然后用乙醇進行溶劑交換.最后,在120 ℃真空干燥過夜,得到紅色粉末(收率約為70%,以Tp含量為標準計算).

1.2.2 Cu@TpBpy的合成 合成的TpBpy具有豐富的聯吡啶位點,其上的氮原子含有大量可與金屬進行配位的孤對電子.采用后修飾法對TpBpy進行了功能化改性,將活性組分銅源與氮原子進行配位,固載到TpBpy的多孔骨架內(見Scheme 2).

為了優(yōu)選催化劑,選取多種銅源進行固載.不同銅源在溶劑中的溶解度不同,因此在固載過程中針對不同銅源使用不同溶劑(見表1).以Cu(OAC)2·H2O為例,使用無水乙醇為溶劑,按理論固載銅質量分數為10%計算,將92 mg Cu(OAC)2·H2O超聲溶解于10 mL乙醇中并加入200 mg TpBpy,在70 ℃下加熱回流攪拌24 h,過濾后用大量乙醇洗滌除去未固載的金屬.將獲得的材料干燥,于100 ℃真空過夜活化,得到Cu(OAc)2@TpBpy.利用ICP-OES測定材料中Cu的含量(約1.7 mmol/g).

Scheme 1 Solvothermal synthetic route of TpBpy

Scheme 2 Schematic reprentation of Cu(OAc)2 anchored on bipyridine sites of TpBpy to obtain Cu(OAc)2@TpBpy to catalyze the coupling reaction of imidazole and phenylboronic acid

Table 1 Corresponding solvents used for different copper sources

EntryCu sourceModification solvent1CuIAcetonitrile2Cu(NO3)2·3H2OEthanol3CuCl2Ethanol4Cu2Cl2DMSO5Cu(OAc)2·H2OEthanol6CuSO4·5H2ODMF7Cu(CF3SO3)2Acetonitrile

1.2.3 Cu@TpBpy催化Chan-Lam偶聯反應 合成的Cu@TpBpy材料可被用作苯硼酸與咪唑的Chan-Lam偶聯反應中的多相催化劑.固載在聯吡啶位點上的銅離子配位不飽和,可促進偶聯反應中親電性不飽和碳與親核性氮直接成鍵(見Scheme 2).

取苯硼酸(0.82 mmol)、 咪唑(0.98 mmol)、 TEA(0.98 mmol)、 正癸烷(內標物,0.13 mmol)、 5 mL溶劑和催化劑Cu@TpBpy(摩爾分數為10%),加入到耐壓Pyrex反應管中,在70 ℃下加熱攪拌一段時間.反應完成后,利用GC分析上層清液,測定目標產物1-苯基咪唑的產率.通過過濾分離催化劑,用大量溶劑洗滌、 干燥.

使用正癸烷作為內標物.按照反應轉化率分別為0,20%,40%,60%,80%和100%配制1-苯基咪唑標準溶液,添加等量的正癸烷,然后進行氣相色譜分析.以1-苯基咪唑的濃度Ci為橫坐標,以1-苯基咪唑與正癸烷的色譜面積比Ai/As為縱坐標,繪制1-苯基咪唑的內標標準曲線.偶聯反應后,對反應液進行色譜分析,計算Ai/As值并將其代入內標標準曲線以確定1-苯基咪唑的濃度Ci,從而計算出反應的GC產率.

為了檢驗GC產率的準確性并檢測目標產物,同時采用柱層析分離產物1-苯基咪唑并計算其分離收率.分離催化劑后,將反應液首先通過旋轉蒸發(fā)除去溶劑,然后使用洗脫劑石油醚/乙酸乙酯(體積比3∶1)混合溶液通過硅膠柱進行分離純化.稱量所得產物以獲得分離收率,并通過1H NMR分析產物.

2 結果與討論

2.1 TpBpy的表征

Fig.1 PXRD pattern(A), FTIR spectrum(B), N2 adsorption-desorption isotherms(C) and TGA curve(D) of TpBpy

低溫氮氣物理吸附結果如圖1(C)所示,活化后的TpBpy的顯示出可逆的Ⅳ型吸附等溫線,說明該材料具有微孔結構,其BET比表面積為1058 m2/g,為進一步引入催化活性組分提供了空間,但與文獻[21]報道的1746 m2/g相比還存在一定差距,也間接證明了材料的合成過程中存在聚合不完全的問題.圖1(D)為TpBpy在氮氣氣氛下的熱重分析曲線,樣品在350 ℃前基本未失重,說明TpBpy具有高達350 ℃的熱穩(wěn)定性,繼續(xù)升溫后材料有明顯的失重,為COF骨架逐漸分解的過程.通過FESEM和TEM表征對樣品進行了形貌分析,結果如圖2所示.可見,TpBpy以交織的線狀形態(tài)結晶,并伴有大量單個微晶的聚集.

Fig.2 FESEM(A) and TEM(B) images of TpBpy

2.2 Cu@TpBpy的表征

以Cu(OAC)2@TpBpy為例,對比改性前后的PXRD譜圖[圖3(A)]發(fā)現,改性后的材料在2θ=3.6°處的特征峰峰強減弱,峰形變寬,說明改性后材料的結晶度有所下降,但其骨架還保持完整.此外,改性后的PXRD譜圖中未出現銅源或新的衍射峰,說明無新相存在,表明Cu源的引入未對COF結構造成影響.

由圖3(B)所示FTIR譜圖可知,銅源改性后的材料在1002 cm-1處出現振動伸縮峰,表明存在Cu—N配位,這證實了Cu源是通過化學成鍵作用固載上去的,這與PXRD中未出現新相的結論一致.改性后的Cu(OAC)2@TpBpy依然顯示出可逆的Ⅳ型吸附等溫線,但其BET比表面積降低為455 m2/g[圖3(C)],這說明后修飾過程對COF材料的外表面及內部孔道造成了一定破壞.

Fig.3 PXRD pattern(A), FTIR spectra(B) and N2 adsorption-desorption isotherms(C) of TpBpy(a) and Cu(OAc)2@TpBpy(b)

Fig.4 XPS spectra of Cu(OAc)2@TpBpy(A) and CuI@TpBpy(B) in Cu2p region

為進一步確認材料中銅的價態(tài),對采用一價和二價銅源合成的CuI@TpBpy和Cu(OAc)2@TpBpy進行了XPS分析,結果如圖4所示.Cu(OAc)2@TpBpy的XPS譜圖[圖4(A)]中934.2和954.1 eV處的2個峰可歸屬于Cu2+的2p3/2和2p1/2狀態(tài),表明Cu元素以+2氧化態(tài)存在[26].CuI@TpBpy的XPS譜圖[圖4(B)]中931.9和951.7 eV處的2個峰可分別歸屬于Cu+的2p3/2和2p1/2狀態(tài),934.4和954.2 eV處的2個峰可分別歸屬于Cu2+的2p3/2和2p1/2狀態(tài),Cu元素以+1價態(tài)以及部分+2價態(tài)存在[26],說明有部分一價銅被氧化為二價銅.

2.3 Chan-Lam偶聯反應

為了優(yōu)化以Cu@TpBpy為催化劑的苯硼酸與咪唑的Chan-Lam偶聯反應的條件,篩選了溶劑、 銅源、 堿及反應時間等參數,結果列于表2.參考文獻[27]方法,加入苯硼酸與過量咪唑,首先使用催化劑CuI@TpBpy,堿三乙胺(TEA)和溶劑EtOH.該反應在室溫下無產率(表2中Entry 3),而在70 ℃下產率為22%(表2中Entry 4),表明該反應對溫度敏感,后續(xù)實驗選擇反應溫度為70 ℃.

Table 2 Optimization of Chan-Lam coupling reaction conditionsa

Fig.5 1H NMR spectrum of 1-phenyl-imidazole

如表2中Entries 5和6所示,GC產率與分離收率非常匹配,這驗證了氣相色譜分析的準確性,因此通過GC產率來衡量催化劑的催化性能.通過1H NMR光譜分析了分離純化后的目標產物1-苯基咪唑(見圖5),證明所得產物為純物質.

為了在偶聯反應中選擇最佳溶劑,篩選了多種極性和非極性有機溶劑,如甲苯、 1,4-二氧六環(huán)、 二氯甲烷(DCM)、 1,2-二氯乙烷、 EtOH、 MeOH、 DMF和DMSO等(表2中Entries 11～17).結果表明,非極性溶劑或非質子極性溶劑導致反應產率很低或沒有產率,而質子極性溶劑有利于咪唑的芳基化,其中MeOH的反應產率最高(表2中Entry 11),這一結果與文獻[28～30]報道一致.

在最佳溶劑MeOH中,考察了TpBpy上固載不同的銅源對反應結果的影響.在不添加任何催化劑時,反應無法進行(表2中Entry 1),這說明催化劑存在的必要性.而僅使用TpBpy作為催化劑時,該反應產率也為0(表2中Entry 2),說明純TpBpy對反應無催化活性.我們通過后修飾法在TpBpy上固載了系列Cu源,如CuI,Cu(NO3)2·3H2O,CuCl2,Cu2Cl2,Cu(CF3SO3)2,CuSO4·5H2O以及Cu(OAc)2·H2O(表2中Entries 5～11).催化反應評價結果表明,Cu(OAc)2@TpBpy在相同反應條件下催化效果最佳(表2中Entry 11).

Fig.6 PXRD patterns of Cu(OAc)2@TpBpy before(a) and after(b) reaction under the best reaction conditions

堿可在Chan-Lam偶聯反應中起到促進反應物脫質子的作用,因此進一步考察了堿(包括有機堿三乙胺和吡啶,無機堿Na2CO3和K2CO3)對反應的影響.需要說明的是,不加堿時在MeOH溶劑中使用Cu(OAc)2@TpBpy催化該反應能獲得44%的產率(表2中Entry 18),表明TpBpy自身具有一定的堿性.而在相同條件下,無機堿參與的反應其產率不升反降,Na2CO3參與的反應產率為37%,K2CO3參與的反應產率為18%(表2中Entries 19和20),說明無機堿對Cu(OAc)2@TpBpy催化的反應體系存在抑制作用.有機堿參與的反應中,吡啶對反應無明顯促進作用,其產率與不加堿時相當,為45%(表2中Entry 21); 有機堿三乙胺的促進作用最明顯(表2中Entry 11),最佳產率為66%.對最優(yōu)條件下反應后的催化劑進行了表征,結果如圖6所示,反應后的Cu(OAc)2@TpBpy在2θ=3.6°處仍然存在對應于(100)晶面的高強度衍射峰,而對應于(001)晶面的2θ=25°～28°處的寬峰也仍然可見,這與反應前的粉末XRD特征衍射峰一致,說明反應后COF材料的結構依然保持穩(wěn)定.

Fig.7 GC yield-time profile for the coupling reaction in methanol with Cu(OAc)2@TpBpy as catalyst Phenylboronic acid(0.82 mmol,100 mg),imidazole(0.98 mmol),TEA(0.98 mmol),Cu(OAc)2@TpBpy(10%,molar fraction),MeOH 5 mL,70 ℃.

篩選所得最佳催化體系(表2中Entry 11)催化Chan-Lam偶聯反應的最佳收率與文獻[31～33]報道的部分多相催化體系相比,不具有明顯優(yōu)勢.分析其原因可能與銅離子所在的剛性配位環(huán)境有關.TpBpy是一種二維層狀結構,催化活性組分Cu固載在聯吡啶位點上,即TpBpy六元環(huán)的邊上,如果將TpBpy視作一個有機配體,則銅組分位于相對剛性的配位環(huán)境中.此外,根據文獻[21]報道,結合PXRD數據擬合得其層狀結構的層間距約為0.35 nm,較窄的層間距使固載的Cu的配位環(huán)境中的空間位阻較大.Collman等[34]研究發(fā)現,銅源與不同含氮螯合配體配位形成的配合物在相同條件下催化苯硼酸與咪唑的偶聯反應時,隨著配體剛性增大,1-苯基咪唑分離收率降低.以四甲基乙二胺(TMEDA)、 4,4-聯吡啶和1,10-菲羅林3個配體為例,1-苯基咪唑分離收率最高的為TMEDA配體,收率最低的為1,10-菲羅林配體.在偶聯反應的轉金屬化步驟中,由于空間位阻的原因,苯硼酸的苯環(huán)和咪唑環(huán)與不飽和銅配位較困難,從而降低了整個反應的反應活性.

如圖7所示,在最優(yōu)反應條件下控制反應時間分別為1,2,4,6,8和12 h,發(fā)現反應產率呈現先增大后不變的趨勢.反應4 h,反應達到最大產率66%,之后再延長反應時間,收率保持不變.

以均相反應作為對比,無任何配體存在時,在最佳條件下考察了多種Cu源的催化活性,結果列于表3.可見,在相同量的銅源催化下,所有反應催化活性略高于相應的非均相反應,其中Cu(OAc)2·H2O的催化活性最好,與非均相催化劑的催化活性相當.

在模型反應的最佳反應條件下進行了底物拓展實驗,結果列于表4.當苯硼酸中取代基在鄰位時(表4中Entries 5和6),如2-溴苯硼酸和2-甲基苯硼酸分別與咪唑反應時,檢測到只有微量目標產物生成,這是由于鄰位的空間位阻較大造成的; 當取代基在對位時(表4中Entries 1～4),4-甲氧基苯硼酸反應的產物產率為44%,4-甲酰苯硼酸和4-聯苯硼酸反應的產物產率分別為54%和53%,4-氯苯硼酸反應的產物產率最高為62%; 當取代基在間位時(表4中Entries 7和8),3-氰基苯硼酸和3-甲基苯硼酸與咪唑反應的產物產率分別為59%與41%.

Table 3 Homogeneous reaction of imidazole and phenylboronic acida

Table 4 Cu@TpBpy catalyzed N-arylation of imidazole with arylboronic acidsa

均相銅鹽催化Chan-Lam偶聯的反應機理研究已經非常透徹[35～37],針對本文的非均相催化體系,參考文獻[25,27,38]報道,我們給出了以Cu@TpBpy為催化劑時咪唑與苯硼酸偶聯反應的催化循環(huán)圖.如Scheme 3所示,以Cu(OAc)2@TpBpy催化劑為例,活性中心Cu含有大量不飽和配位點,反應開始后,苯硼酸的苯環(huán)發(fā)生轉金屬化反應配位至Cu(Ⅱ)中心(①→②); 堿與咪唑的活潑氫結合,發(fā)生去質子化作用,從而促進咪唑的N-芳基化,因此在堿TEA的促進下,咪唑也與Cu(Ⅱ)中心配位(②→③).在O2的存在下,Cu(Ⅱ)被氧化為Cu(Ⅲ)(③→④); 隨后發(fā)生還原消除反應,得到目標產物1-苯基咪唑和再生催化劑(④→⑤); 然后,Cu(Ⅰ)被O2氧化為Cu(Ⅱ)(⑤→①),發(fā)生下一輪循環(huán).

Scheme 3 Plausible catalytic cycle for the coupling reaction of imidazole and phenylboronic acid

3 結 論

采用真空溶劑熱方法合成了含聯吡啶位點的COF材料TpBpy,再通過后修飾法引入系列銅源得到Cu@TpBpy,并用于催化咪唑和苯硼酸的Chan-Lam偶聯反應.作為多相催化劑,Cu@TpBpy在反應中具有良好的催化活性.通過優(yōu)化反應條件,發(fā)現質子極性溶劑MeOH是該催化反應的最佳溶劑,而Cu(OAc)2@TpBpy的催化性能最佳,有機堿TEA的促進效果最好.在MeOH溶液中,Cu(OAc)2@TpBpy在堿TEA的促進下于70 ℃催化咪唑與苯硼酸反應4 h后,得到1-苯基咪唑的最大產率(66%).粉末XRD表征結果表明,反應后的催化劑仍保持原有骨架.在最優(yōu)反應條件下進行了底物拓展實驗,結果表明,取代基的位阻效應對該催化體系有顯著影響,其中對位取代的4-氯苯硼酸的反應產率最高(62%).