水相Heck反应在有机化学实验中的应用

水相Heck反应在有机化学实验中的应用
查正根;张振雷;郑小琦;汪志勇
【摘要】介绍PdCl：催化的水相Heck反应在大学有机化学实验中的应用。

采用超声波、微波方法改进Heck反应，以缩短反应时间，提高反应产率；设计了探索性的绿色有机化学实验。

【期刊名称】《大学化学》
【年(卷),期】2012(027)006
【总页数】3页(P51-53)
【关键词】Pd催化;微波和超声波;水相Heck反应;探索性实验
【作者】查正根;张振雷;郑小琦;汪志勇
【作者单位】中国科学技术大学化学实验教学中心,安徽合肥230026;中国科学技术大学化学系,安徽合肥230026;中国科学技术大学化学实验教学中心,安徽合肥230026 中国科学技术大学化学系,安徽合肥230026;中国科学技术大学化学实验教学中心,安徽合肥230026 中国科学技术大学化学系,安徽合肥230026
【正文语种】中文
【中图分类】O62-33
Heck反应是在20世纪70年代由Richard F.Heck等发现的一类重要的形成与不饱和双键相连的新C—C键的反应[1-2]。

在过去40年中，Heck反应逐渐发展成为一种应用广泛的有机合成方法，成为现代有机合成的重要手段之一，在天然产物
合成、医药以及新型高分子材料制备等领域有着重要的应用价值[3-6]。

2010年，Richard F.Heck因对该反应的开创性研究而获得诺贝尔化学奖[7]。

虽然该反应在工业及科研中应用很广泛，但在大学的基础有机化学实验中却鲜见。

其原因一方面是该反应条件比较苛刻，对于学生的实验技能要求较高[8-9]；另一方面是该反应
的反应时间较长，有时可达到10多个小时[10-11]，这对于学生实验而言时间偏长。

为了解决这两方面的问题，我们通过文献调研和研究，改进了反应条件，在水相中采用常规、超声波(US)、微波(MW)方法，在较短时间、相对温和的条件下得到较好的结果。

我们开设的Heck反应实验有以下特点：
(1) 温和的反应条件。

一般的偶联反应都需要在无水无氧的条件下进行，而近年来随着绿色化学的兴起，研究工作者对于该类反应进行了更深入的研究，发现在纯水中也可以完成[12]，因此，我们尝试在纯水中，以PdCl2为催化剂，碳酸钠为碱，回流12小时可以得到中等的收率。

(2) 较短的反应时间。

在有机化学实验中，要想在较短的时间得到比较好的结果，可尝试使用微波[13]、超声波方法[14]。

我们发现在微波条件下，15分钟即可使
反应完全，而且收率较高。

(3) Heck反应是在水相中进行，以PdCl2为催化剂，不需用配体，符合绿色化学
理念。

1 实验目的
(1) 学习PdCl2催化的水相Heck反应实验设计。

(2) 练习微型实验操作和纯化方法。

(3) 学习微波、超声波技术在有机化学实验中的应用。

2 反应式
该实验的反应式如下图所示：
3 主要仪器和试剂
仪器：Discover SP微波反应器(CEM)，超声波清洗器(40kHz)，400MHz Bruker FT-NMR 核磁共振仪。

试剂：碘苯、丙烯酸均为国药分析纯试剂，无机碱均为市售分析纯，柱层析使用200～300目硅胶，氘代氯仿为溶剂，三甲基硅(TMS)为内标。

4 实验步骤
在实验教学中，选用不同的底物与不同的实验条件组合，进行优化实验。

现以碘苯与丙烯酸在微波条件下PdCl2催化的Heck反应为例。

反应在Discover微波反应器中进行，在微波反应管中先后加入PdCl2(1mg)，碳酸钠、丙烯酸、碘苯(1mmol，125μL)和水(2mL)，搅拌均匀后，放入微波反应器中，在125℃反应15分钟。

反应结束后，向反应液中加入稀盐酸，酸化至蓝色石蕊试纸褪色，用乙酸乙酯萃取3次，无水硫酸钠干燥1小时，然后通过减压蒸馏除去溶剂，得到固体粗产品；通过硅胶柱层析分离进一步纯化所得产品。

产率可达87%。

5 结果与讨论
5.1 反应物比例的影响
碘苯和丙烯酸物质的量比为2，在常规条件下，反应在100℃回流3～12h，分离产率可由31%提高到60%；在超声波条件和室温下反应5h，分离产率为83%；在微波条件下，开始尝试两者物质的量比为1时，只得到70%的产率，当物质的量比提高到1.5时，可以得到87%的产率，若进一步提高比例，产率稍有降低。

不同条件下PdCl2催化的水相Heck反应的结果见表1。

表1 不同条件下PdCl2催化的水相Heck反应条件
n(PdCl2)/mmoln(Na2CO3)/mmolt/℃t/min产率/%常规0.01310018031常规0.01310072060超声波0.023*******微波0.0051.51251587
n(碘苯)=1mmol，n(丙烯酸)=1.5mmol，V(H2O)=2～3mL
5.2 碱的影响
当丙烯酸与碳酸钠的物质的量比为1时，只有50%的产率，还有部分碘苯没有反应；提高到1.5时，可以得到比较理想的产率。

5.3 反应时间的影响
超声波(US)和微波(MW)虽然在较短的时间内能够完成反应，但如果进一步缩短反应时间，发现会有少部分的碘苯没有反应，而延长反应时间对于产率的提高没有显著的效果。

在常规条件下，PdCl2催化的水相Heck反应可能的机理如图1所示。

通过氧化加成、配位、插入和消除,实现Pd的循环催化，完成Heck反应。

在超声波条件下，原位生成Pd纳米粒子，增加了Pd的催化活性，由于是异相反应体系，Pd分离后能循环使用[8]。

图1 PdCl2催化的水相Heck反应可能的机理
谱图数据如下：
3-苯基丙烯酸1H NMR(400MHz,CDCl3):δ 6.47(d，J=16.0Hz,1H,2-
H),7.42(t,J=3.2Hz,3H,Ph-H),7.56～7.58(m,2H,Ph-H),7.80(d，J=16.0Hz,1H,3-H)；13C NMR(100MHz,CDCl3):δ 171.2(1-C),146.1(3-C),133.0(Ph-
C),129.7(Ph-C),127.9(Ph-C),127.4(Ph-C),116.2(2-C)；
IR(neat)ν:3071,3036,1684,1627,1584,1498,1452cm-1。

6 总结
通过对水相Heck反应的进一步研究，在常规、超声波、微波条件下设计探索性实验，在比较温和的条件下及很短的时间内就可以完成该反应，从而可为Heck反应在大学有机化学实验课程中的应用提供借鉴。

参考文献
[1] Heck R F.J Am Chem Soc,1968,90: 5518
[2] Dieck H A,Heck R F.J Am Chem Soc,1974,96:1133
[3] Daves G D Jr,Hallberg A.Chem Rev,1989,89:1433
[4] Beletskaya I P,Cheprakov A V.Chem Rev,2000,100:3009
[5] Dounay A B,Overman L E.Chem Rev,2003,103:2945
[6] Shibasaki M,Vogl E M,Ohshima T.Adv Synth Catal,2004,346:1533
[7] Angew Chem Int Ed,2010,49:8300
[8] Battace A,Zair T,Doucet H,et al.Synthesis,2006:3495
[9] Lipshutz B H,Taft B Lett,2008,10:1329
[10] Cui X,Li J,Zhang Z P,et al.J Org Chem,2007,72:9342
[11] Li H J,Wang L.Eur J Org Chem,2006,5101
[12] De Vasher R B,Moore L R,Shaughnessy K H.J Org Chem,2004,69:7919
[13] Arvela R K,Leadbeater N E,Collins M J.Tetrahedron,2005,61:9349
[14] Zhang Z H,Zha Z G,Gan C S,et al.J Org Chem,2006,71:4339。