微波合成装置GPS应用案例-连续微波照射下无配体型SARu催化剂催化卤代苯与苯硼酸的Suzuki–Miyaura偶联反应

Yoshihiro课题组开发一种硫修饰的Au负载Ru（0）纳米颗粒催化剂，主要用于无配体型催化Suzuki–Miyaura偶联反应。波谱分析表明该催化剂中Ru（0）粒径大约为1-3 nm。该催化剂可多次循环使用并且在反应中能很好的负载于载体上。首先通过三步法制备无配体型催化Suzuki–Miyaura偶联反应的SARu催化剂。我们首先使用常规合成技术完成碘苯、氯苯与苯硼酸的Suzuki–Miyaura偶联反应。进而通过微波辅助有机合成技术研究碘苯、氯苯与苯硼酸的Suzuki–Miyaura偶联反应。

在微波辅助合成联苯中同样在设备技术进行对比通过使用常规性微波辅助有机合成装置和新型微波辅助有机合成装置EYELA（GPS-1000）。最后发现GPS-1000新型微波合成装置合成产物联苯收率较高。该装置通过连续对反应液照射定量微波及其外部铝块精密控温系统来保证微波照射集聚生热的及时冷却或者低照射量保温从而稳定反应液微波合成条件参数（微波连续输出实时功率、样品微波吸收实时功率、反应温度）。相关研究详见Green Chem., 2017, 19, 3357–3369。下面简要介绍Yoshihiro课题组开发的无配体型SARu催化剂催化Suzuki–Miyaura偶联反应研究工作。

制备流程：取一张12×14 mm2 (1平方英寸100个网眼) 的金筛网置于浓硫酸和双氧水混合溶液中30 min。取出该金筛网用5×2 mL水依次冲洗五次，用5×2 mL乙醇依次冲洗五次，然后真空干燥 10 min。干燥后的金筛网[S-Au]置于含有三(乙酰丙酮酸)钌(III)(20.0 mg, 0.050 mmol) 和对甲氧基苯乙醇 (0.13 mL, 1.05 mmol) 的对二甲苯 (2.3 mL) 中并在氮气保护下于135 °C搅拌12 h。取出该筛网2 mL × 10 对二甲苯依次冲洗10次并真空干燥。干燥后的筛网置于2.5 mL对二甲苯中135 °C条件下保持12 h。取出该筛网2 mL × 5对二甲苯依次冲洗5次并真空干燥20 min得到催化剂 SARu (Ru: 194 ± 36 μg)。

    我们使用常规加热法通过SARu催化碘苯（0.25 mmol）与苯硼酸（1.5 equiv）Suzuki–Miyaura偶联合成联苯。首先将一片SARu催化剂和磷酸钾（3.0 equiv）置于溶剂二甲氧基乙烷中80 ℃下反应4、6、8小时。过滤掉反应液中SARu催化剂然后往反应液中放入1.0 mL水以溶解反应液中的不溶物。多滤掉催化剂再加水的目的是加水后的反应液水与溶剂形成界面膜而这界面膜会对SARu催化剂产生破坏作用。由图3a可知第一步反应时间在6小时第二步反应时间在10小时最为经济。

从图4中可知SARu催化剂的10次循环使用联苯的收率都在90%以上，同时也表明该催化剂无催化活性的大幅度降低。我们使用ICP-MS检测每次循环使用时反应液中Ru金属残留量。从上图可知单次循环使用时的残留量范围为0.05-0.83 ppm。

当我们拓宽SARu催化剂催化氯苯与苯硼酸的Suzuki–Miyaura偶联应用时发现常规合成方法得到微量的联苯（如图5）。之前我们课题组完成过常规微波设备辅助的SAPd催化Suzuki–Miyaura偶联反应（Green Chem., 2013, 15, 1142–1145）。这次继续按照之前方法完成SARu催化剂催化氯苯与苯硼酸的Suzuki–Miyaura偶联。微波辅助合成过程中因为微波对催化剂金属蚀刻作用使得催化剂金属可从催化剂上脱落。但由于Ru着实固着在催化剂上使得减弱上述作用效果，这就使得微波辅助型SARu催化氯苯与苯硼酸Suzuki–Miyaura偶联反应成为可能。

而使用常规微波辅助合成装置（图6a1）在SARu催化下氯苯与苯硼酸Suzuki–Miyaura偶联成联苯，但收率很低。这是由于（如图6a2）驻波照射反应液过程中形成很多波的驻点从而形成乱而杂的过热点，反应液温度迅速升高（设定80 ℃从图上可知温度波动范围较大）、加热不均匀而外围无控温设计，为了控制反应液的温度需要间断式暂停微波对反应液的照射，这些都导致最后产率的过低。

图6b1. EYELA GPS-1000微波合成结构图（搭载外围控温精密结构; 微波形式：连续式行波）

我们使用新型微波合成装置（EYELA GPS-1000）能有效克服上述问题，选用连续式行波照射反应液（图6b1）并通过外围紧密控温装置及时控制反应液的温度从而保证一定功率的微波连续照射。GPS-1000 70 W连续照射2小时、80 ℃下氯苯与苯硼酸偶联化合物收率为31%。GPS-1000 70 W分别连续照射1小时和1.5小时、80 ℃下氯苯与苯硼酸偶联化合物收率为41%和38%。在GPS-1000 70 W连续1.5小时照射下发现氯苯氯苯衍生物与苯硼酸偶联物收率普遍在50%以上，部分偶联物收率在80%以上（如图7）