一種用于吲哚二位芳基化的氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑、制備方法及其在吲哚及取代吲 哚C2位與鹵苯的芳基化反應(yīng)中的應(yīng)用，屬于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 介孔材料可作為良好載體，用于負(fù)載貴金屬催化劑，然而存在納米粒子團(tuán)聚和催 化劑失活的問(wèn)題。氟硅膠負(fù)載催化劑作為一種新型的負(fù)載催化體系，在解決納米粒子團(tuán)聚， 以及利用氟-氟相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)使用方面，有其獨(dú)到之處。目前氟硅膠負(fù)載催 化劑的研究主要集中在新型含氟配體的設(shè)計(jì)，對(duì)氟硅膠的結(jié)構(gòu)沒(méi)有涉及。傳統(tǒng)的表面改性 方法制備的氟硅膠通常是無(wú)定形的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氟硅膠的結(jié)構(gòu)的控制。
[0003] 二位芳基吲哚是一類重要的合成中間體，也是許多生物和藥物活性中間體的重要 組成片段。通過(guò)吲哚二位碳?xì)滏I活化引入芳基則是近年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一?，F(xiàn)有的吲 噪與鹵苯的碳二位芳基化反應(yīng)大都采用均相催化的形式(J.Lei，B. Thorsten,PalIadium-catalyzed direct 2-alkylation of indoles by norbornene-mediated regioselective cascade C_H activation·J·Am.Chem.Soc.，2011，133(33)，12990-12993)，反應(yīng)中往往需要大量的鈀催化劑（1-10% )和含膦配體，且這些催化劑僅能單次使 用而無(wú)法回收，帶來(lái)殘余鈀金屬污染，無(wú)法滿足有機(jī)合成、制藥工業(yè)和生化企業(yè)的要求。單 一氣硅膠負(fù)載的鈀催化劑（L.Wang，et.al ,Fluorous silica gel-supported perfluoro-tagged palladium nanoparticles:an efficient and reusable catalyst for direct C_2arylation of indoles ,Chem· Commun ·，2011,47,806-808)，用于吲噪的二位芳基化反 應(yīng)中，但是單一氟硅膠負(fù)載的鈀催化劑穩(wěn)定性較差，多為中等產(chǎn)率，產(chǎn)率不高，回用次數(shù)受 到限制。吲哚二位芳基化反應(yīng)式如下：
[0005] 吲哚二位芳基化反應(yīng)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有的吲哚二位芳基化技術(shù)中，使用的催化劑穩(wěn)定性差、產(chǎn)率低、不易回收和 殘余鈀金屬污染的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種可回收、穩(wěn)定性高、催化活性良好且制備簡(jiǎn)便的 氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑及其制備方法，所述的催化劑對(duì)吲哚二位芳基化反應(yīng)具有 良好的催化效果，有較長(zhǎng)的使用壽命及穩(wěn)定性，且該催化劑能夠方便回收，產(chǎn)物中殘余鈀的 含量小于Ippm，避免了反應(yīng)后的殘余鈀污染。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種用于吲哚二位芳基化的氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑的制備方法，具體步 驟如下：
[0009] 步驟1，在模板劑的作用下，將水與醇溶劑按體積比為1:1~2充分混合，控制混合 溶液的溫度為20~90°C，然后加入四乙氧基硅烷和含有氟碳鏈的三烷氧基硅烷，攪拌得到 稠狀液體，之后分別用體積比為1:1~3的乙醇_鹽酸混合液及濃鹽酸萃取出稠狀液體中的 模板劑，在80~120°C下干燥后即可得到氟功能化的介孔硅膠，所述的模板劑為UF 2n-
K2H4NC5H5Cl，結(jié)構(gòu)式為 含有氟碳鏈的三烷氧基硅烷為 J
所述的四乙氧基硅烷與含有氟碳鏈的三烷氧基硅烷的摩爾比 為2~10:1;
[0010] 步驟2，將氯化鈀、氯化鈉和甲醇在室溫下攪拌反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后加入含氟配體，補(bǔ) 充甲醇并加熱使其溶解，降至室溫后加入乙酸鈉，并攪拌反應(yīng)完全，反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾、干燥 得到含氟配體絡(luò)合的鈀催化劑，其中，氯化鈀、氯化鈉、含氟配體和乙酸鈉的摩爾比為1:2: 0.5~1:2,含氟配體為
[0011] 步驟3,將氟功能化的介孔硅膠和含氟配體絡(luò)合的鈀催化劑加入到全氟溶劑中，升 溫至80~120°C攪拌，減壓蒸餾除去全氟溶劑后，得到氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑，其 中氟功能化的介孔硅膠與含氟配體絡(luò)合的鈀催化劑的質(zhì)量比為1~0.5:1。
[0012] 步驟1中，所述的混合溶液中模板劑的濃度為O.Olmmol/L，所述的醇溶劑選自甲 醇、乙醇或異丙醇，控制混合溶液的溫度優(yōu)選為50°C~60°C，所述的四乙氧基硅烷和含有氟 碳鏈的三烷氧基硅烷的總濃度為30g/L。
[0013] 步驟3中，所述的全氟溶劑選自全氟辛烷、全氟苯或全氟癸烷。
[0014] 本發(fā)明還提供上述方法制得的氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑在吲哚二位芳基 化反應(yīng)中的應(yīng)用。
[0015] 進(jìn)一步地，上述方法制得的氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑在吲哚二位芳基化反 應(yīng)中的應(yīng)用，具體方法如下：
[0016] 將吲哚類化合物、鹵苯、氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑和乙酸鈉加入到N，N_二 甲基甲酰胺(DMF)中，在30~120 °C下反應(yīng)2~4h，反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾，濾液分別水洗、鹽洗，除 去溶劑后可得粗產(chǎn)品，粗產(chǎn)品通過(guò)柱層析提純得到純產(chǎn)品，其中，吲哚、鹵苯、氟功能化介孔 硅膠負(fù)載鈀催化劑、乙酸鈉和N，N-二甲基甲酰胺的摩爾比為1:1:0.002~0.01:2:20。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著效果：
[0018] (1)采用氟功能化介孔硅膠負(fù)載，由于碳氟鏈具有緊密、剛直、穩(wěn)定、氟-氟效應(yīng)等 特點(diǎn)，使得孔徑均勻，孔道規(guī)則、介孔穩(wěn)定，鈀催化劑分散均勻，活性高；
[0019] (2)含氟配體與鈀催化中心結(jié)合牢固，不易失活、團(tuán)聚，在吲哚二位芳基化的應(yīng)用 中能夠回收使用；
[0020] (3)該催化劑對(duì)吲哚二位芳基化的反應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，產(chǎn)率高，催化所得 的產(chǎn)物沒(méi)有金屬鈀的殘留；
[0021] (4)催化方法工藝簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備的要求較低、規(guī)模化生產(chǎn)的可行性大，具有很好的 工業(yè)化應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑的TEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例中含氟模板劑A和B的 結(jié)構(gòu)式為
含有氟碳鏈的三烷氧基硅烷C和D的結(jié)構(gòu)式如 下：
[0025] 實(shí)施例1
[0026]步驟1，氟功能化的介孔硅膠的制備:首先在50mL水與50mL甲醇的混合溶液中加入 〇. 45g含氟模板劑A，形成透明的乳濁液，控制溶液的溫度在60 °C，然后加入2.08g四乙氧基 硅烷與〇.5g氟碳鏈的三烷氧基硅烷C，攪拌得到產(chǎn)物漿體，之后分別用體積比為1:1的乙醇-鹽酸混合液及濃鹽酸萃取出模板劑，最后在l〇〇°C干燥后即可得到2.7g淡黃色氟功能化的 介孔硅膠。
[0027]步驟2,含氟配劑絡(luò)合的鈀催化劑的制備：首先將1.78g氯化鈀，1.17g氯化鈉和 50mL甲醇在室溫下攪拌反應(yīng)，再加入過(guò)量的甲醇，升溫至60°C，同時(shí)加入7.75g含氟配體和 1.36g乙酸鈉，劇烈攪拌2h，反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)濾、干燥得到IOg含氟配劑絡(luò)合的鈀催化劑。 [00 28]步驟3，氟介孔硅膠負(fù)載的鈀催化劑的制備:將氟功能化的介孔硅膠Ig加入到50mL 全氟辛烷中，然后加入Ig含氟配體絡(luò)合的鈀催化劑，升溫至80°C攪拌，減壓蒸餾除去全氟溶 劑后，得到1.85g氟介孔硅膠負(fù)載的鈀催化劑。
[0029]氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑在吲哚二位芳基化反應(yīng)中的應(yīng)用:將吲哚（Immol)，碘苯 (Immol)與氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑（18.5mg，0 . Olmol Pd)加入反應(yīng)管中，加入乙酸鈉 (2mmoI)，DMF(2mL)，在溫度120 °C下反應(yīng)4h，可得粗產(chǎn)品，氣相產(chǎn)率為92 %，粗產(chǎn)品通過(guò)柱層 析提純可得純產(chǎn)品，產(chǎn)率為91 %，并通過(guò)ICP檢查產(chǎn)品中殘余金屬含量小于lppm。
[0030] 透射顯微鏡下觀察制得的氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑的顯微形貌，結(jié)果如圖 1所示，從圖1可以看出，氟功能化介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑粒徑在IOnm左右，且鈀納米均勻的 分布于氟介孔硅膠上，未出現(xiàn)團(tuán)簇的現(xiàn)象。
[0031] 實(shí)施例2
[0032]步驟1，氟功能化的介孔硅膠的制備:首先在50mL水與50mL甲醇的混合溶液中加入 〇. 45g含氟模板劑A，形成透明的乳濁液，控制溶液的溫度在90 °C，然后加入2.08g四乙氧基 硅烷與2.5g氟碳鏈的三烷氧基硅烷C，攪拌得到產(chǎn)物漿體，之后分別用體積比為1:3的乙醇-鹽酸混合液及濃鹽酸萃取出模板劑，最后在120°C干燥后即可得到4.3g淡黃色氟功能化的 介孔硅膠。
[0033]步驟2，含氟配劑絡(luò)合的鈀催化劑的制備：首先將1.78g氯化鈀，1. 17g氯化鈉和 50mL甲醇在室溫下攪拌反應(yīng)，再加入過(guò)量的甲醇，升溫至80°C，同時(shí)加入7.75g含氟配體和 1.36g乙酸鈉，劇烈攪拌2h，反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)濾、干燥得到9.6g含氟配劑絡(luò)合的鈀催化劑。 [00 34]步驟3，氟介孔硅膠負(fù)載的鈀催化劑的制備:將氟功能化的介孔硅膠Ig加入到50mL 全氟癸烷中，然后加入Ig含氟配體絡(luò)合的鈀催化劑，升溫至120°C攪拌，減壓蒸餾除去全氟 溶劑后，得到I.Slg氟介孔硅膠負(fù)載的鈀催化劑。
[0035] 氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑在吲哚二位芳基化反應(yīng)中的應(yīng)用:將吲哚（Immol)，碘苯 (Immol)與氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑（9. Img，0.005mol Pd)加入反應(yīng)管中，加入乙酸鈉 (2mmoI)，DMF(2mL)，在溫度120 °C下反應(yīng)4h，可得粗產(chǎn)品，氣相產(chǎn)率為91 %，粗產(chǎn)品通過(guò)柱層 析提純可得純產(chǎn)品，產(chǎn)率為85%，并通過(guò)ICP檢查產(chǎn)品中殘余金屬含量小于lppm。
[0036] 實(shí)施例3
[0037]步驟1，氟功能化的介孔硅膠的制備:首先在50mL水與50mL甲醇的混合溶液中加入 〇. 5g含氟模板劑B，形成透明的乳濁液，控制溶液的溫度在20°C，然后加入2.08g四乙氧基硅 烷與2.5g氟碳鏈的三烷氧基硅烷C，攪拌得到產(chǎn)物漿體，之后分別用體積比為1:1的乙醇-鹽 酸混合液及濃鹽酸萃取出模板劑，最后在100 °C干燥后即可得到4.34g淡黃色氟功能化的介 孔硅膠。
[0038]步驟2，含氟配劑絡(luò)合的鈀催化劑的制備：首先將1.78g氯化鈀，1. 17g氯化鈉和 50mL乙醇在室溫下攪拌反應(yīng)，再加入過(guò)量的甲醇，升溫至60°C，同時(shí)加入7.75g含氟配體和 1.36g乙酸鈉，劇烈攪拌2h，反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)濾、干燥得到IOg含氟配劑絡(luò)合的鈀催化劑。 [00 39]步驟3，氟介孔硅膠負(fù)載的鈀催化劑的制備:將氟功能化的介孔硅膠Ig加入到50mL 全氟辛烷中，然后加入Ig含氟配體絡(luò)合的鈀催化劑，升溫至120°C攪拌，減壓蒸餾除去全氟 溶劑后，得到1.80g氟介孔硅膠負(fù)載的鈀催化劑。
[0040]氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑在吲哚二位芳基化反應(yīng)中的應(yīng)用:將吲哚（Immol)，碘苯 (Immol)與氟介孔硅膠負(fù)載鈀催化劑（18.5mg，0 . Olmol Pd)加入反應(yīng)管中，加入乙酸鈉 (2mmol)，DMF(2mL)，在溫度120°C下反應(yīng)4h，可得粗產(chǎn)品，氣相產(chǎn)率為97 %，粗產(chǎn)品通過(guò)柱層 析提純可得純產(chǎn)品，產(chǎn)率為95%，并通過(guò)ICP檢查產(chǎn)品中殘余金屬含量小于lppm。
[0041 ] 實(shí)施例4
[0042]步驟1，氟功能化的介孔硅膠的制備：首先在50mL水與IOOmL甲醇的混合