一种NHC-金属-咪唑结构型催化剂及其制备方法

摘要

本发明公开了一种NHC-金属-咪唑结构型催化剂及其制备方法，该方法包括以下步骤：（1）咪唑盐和碱在第一溶剂存在下且在搅拌条件下混合至溶解，过滤后将滤液与通式为MY2(MeCN)2或MY2(PhCN)2的过渡金属盐在第二溶剂存在下在搅拌条件下进行第一步合成反应；（2）将咪唑溶于第三溶剂中，然后添加到步骤（1）所得的溶液中，且在搅拌条件下进行第二步合成反应。采用本发明的方法通过两步法合成NHC-Pd-咪唑结构型催化剂，且最终产物不需要硅胶柱分离，利于大规模生产。

说明书

技术领域

本发明涉及氮杂环卡宾（NHC）金属催化剂的合成，更具体地，本发明涉及一种NHC-金属-咪唑结构型催化剂的制备方法。 

背景技术

2011年，温州大学的邵黎雄在专利CN102153592A中公开了氮杂环卡宾（NHC）-金属钯-咪唑结构的催化剂，其结构如下式所示： 

随后的两年内，邵黎雄课题组及陆建梅课题组陆续以金属钯（Pd）催化剂验证了其催化性能，主要针对偶联反应，其结构如下式所示： 

专利CN102153592A以及文章Synthesis,2011,19,3138-3142.中验证了其对Suzuki-Miyaura偶联反应具有很好的催化活性。 

专利CN102432411A中验证了其对芳基氯与烷基胺的偶联反应的催化活性。 

专利CN102816041A中验证了其对苄基氯与苯硼酸Suzuki-Miyaura偶联的催化活性。 

文章Tetrahedron，2011，67（29），5150-5155.以及文章Tetrahedron，2012，68（10），2414-2420.中验证了其对芳基氯与吗啡及胺类化合物之间的C-N偶联反应的催化活性。 

文章The Journal of Organic Chemistry，2012,77（15），6608-6614.中验证了其对苯磺酸酯与芳基硼酸偶联反应的催化活性。 

文章The Journal of Organic Chemistry，2012,77（20），9236-9239.中验证了其可以催化芳基氯与酰胺发生C-N偶联反应。 

文章Journal of Organometallic Chemistry，2012,700,132-134.中验证了其对Hiyama反应的催化活性。 

文章Organic letters，2013,15（6），1254-1257.与文章Synthesis，2012,44（5），711-716.中验证了其可以活化羰基α位氢与芳基氯发生C-C偶联反应。 

文章Tetrahedron，2012,68（29），5806-5809.中验证了其可以在水中催化苯硼酸与苯甲酸酐反应生成二苯甲酮。 

可见，此种NHC-Pd-咪唑结构的催化剂的催化范围及催化活性都比较突出，但是，在合成过程使用的“一锅法”在后处理过程中需要使用硅胶柱进行分离，过程繁琐，不利于大规模生产。 

因此，针对于该催化剂在合成过程中存在的缺陷，本发明提供了一种新型的氮杂环卡宾（NHC）-金属-咪唑结构型催化剂的制备方法。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中制备氮杂环卡宾（NHC）-金属-咪唑催化剂过程中存在的产率相对较低以及需要硅胶柱进行分离而不便于大量合成的缺陷，提供了一种新型的氮杂环卡宾（NHC）-金属-咪唑结构型催化 剂的制备方法。 

本发明提供了一种NHC-金属-咪唑结构型催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤： 

（1）将式（I）所示的咪唑盐和碱在第一溶剂存在下在搅拌条件下混合至溶解，过滤后将滤液与通式为MY₂(MeCN)₂或MY₂(PhCN)₂的过渡金属盐在第二溶剂存在下在搅拌条件下进行第一步合成反应， 

式（I）， 

其中，R¹和R²基团相同或不同，且各自独立地为C1-C6的烷基或其异构体、芳基、取代芳基或萘基；X为I^-、Br^-、Cl^-或BF₄^-；Y为I^-、Br^-、Cl^-、NO₃^-或CH₃COO^-；M为银、镍、钯、钴、铑或钌； 

（2）将式（II）所示的咪唑溶于第三溶剂中，然后添加到步骤（1）所得的溶液中，且在搅拌条件下进行第二步合成反应， 

式（II）， 

其中，R³为C1-C6的烷基或其异构体、芳基、取代芳基或萘基。 

根据本发明提供的氮杂环卡宾（NHC）-金属-咪唑结构型催化剂的制备方法，在制备过程中，通过两步法合成NHC-Pd-咪唑结构型催化剂，且最终产物不需要硅胶柱分离，利于大规模生产，克服了现有技术中后处理需要使用硅胶柱进行分离，过程繁琐，以及在分离过程中会有一定量的催化剂分解损失的缺点。 

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。 

附图说明

图1是本发明实施例1制备所得到的NHC-Pd-咪唑结构型催化剂的数据X-ray(X晶体衍射)结构图。 

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。 

本发明提供了一种NHC-金属-咪唑结构型催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤： 

（1）将式（I）所示的咪唑盐和碱在第一溶剂存在下在搅拌条件下混合至溶解，过滤后将滤液与通式为MY₂(MeCN)₂或MY₂(PhCN)₂的过渡金属盐在第二溶剂存在下在搅拌条件下进行第一步合成反应， 

式（I）， 

其中，R¹和R²基团相同或不同，且可以各自独立地为C1-C6的烷基或其异构体、芳基、取代芳基或萘基；X可以为I^-、Br^-、Cl^-或BF₄^-；Y为I^-、Br^-、Cl^-、NO₃^-或CH₃COO^-；M可以为银、镍、钯、钴、铑或钌； 

（2）将式（II）所示的咪唑溶于第三溶剂中，然后添加到步骤（1）所得的溶液中，且在搅拌条件下进行第二步合成反应， 

式（II）， 

R³可以为C1-C6的烷基或其异构体、芳基、取代芳基或萘基。 

根据本发明，优选情况下，在式（I）中，R¹和R²基团相同或不同，且可以各自独立地为C1-C6的烷基或其异构体、芳基、取代芳基或萘基；X可以为I^-、Br^-、Cl^-。在过渡金属盐的通式中，Y可以为I^-、Br^-或Cl^-；M可以为 钯。在式（II）中，R³可以为C1-C6的烷基或其异构体、芳基、取代芳基或萘基。 

根据本发明，优选情况下，所述咪唑盐可以为碘化1-(1-甲基)乙基-3-苯基咪唑、溴化1,3-二异丙基咪唑、氯化1,3-二苯基咪唑、氯化1,3-二乙基咪唑或氯化1,3-双(2,4,6-三甲基苯基)咪唑；所述过渡金属盐可以为PdI₂(MeCN)₂、PdBr₂(MeCN)₂、PdCl₂(MeCN)₂、PdI₂(PhCN)₂、PdBr₂(PhCN)₂和PdCl₂(PhCN)₂中的一种或多种。 

根据本发明，所述碱可以为六甲基二硅基胺基钾（KHMDS）、六甲基二硅基胺基钠、KHCO₃、K₂CO₃、Na₂CO₃、Cs₂CO₃、NaHCO₃、CH₃COOK、CH₃ONa、NaOH、KOH、叔丁醇钾（KO^tBu）和叔丁醇钠（NaO^tBu）中的一种或多种。优选情况下，所述碱可以为六甲基二硅基胺基钾（KHMDS）、K₂CO₃、Cs₂CO₃、KO^tBu和NaO^tBu中的一种或多种。 

根据本发明，所述第一溶剂、所述第二溶剂以及所述第三溶剂可以相同或不相同，且各自可以为甲苯、THF、1,4-二氧六环、正己烷、二氯甲烷和1,2-二氯乙烷中的一种或多种。优选情况如下，所述第一溶剂、所述第二溶剂和所述第三溶剂可以相同或不相同，且各自可以为甲苯、1,4-二氧六环和二氯甲烷中的一种或多种。 

根据本发明，所述搅拌条件可以为：搅拌速率为50-1500转/分。 

根据本发明，所述第一步合成反应的条件可以为：所述第一步合成反应的条件为：反应温度为-10-100℃，优选为30-80℃，反应时间为30-360分钟，优选为60-240分钟；所述第二次合成反应的条件为：反应温度为-10-100℃，优选为30-40℃，反应时间为20-120分钟，优选为30-90分钟。 

根据本发明，所述咪唑盐与所述碱的摩尔比可以为1：1-3，所述过度金属盐与所述咪唑盐的摩尔比可以为1：1-5，所述过度金属盐与所述咪唑的摩尔比可以为1：0.1-1。优选情况下，所述咪唑盐与所述碱的摩尔比可以为1： 1-2，所述过度金属盐与所述咪唑盐的摩尔比可以为1：1-2，所述过度金属盐与所述咪唑的摩尔比可以为1：0.3-1。 

根据本发明，所述过滤没有具体限定，可以为本领域技术人员常用的过滤方式，在本发明中，优选为用硅藻土过滤。 

根据本发明，该制备方法中还需要对所获得的产物进行浓缩，所述浓缩没有具体限定，可以为本领域技术人员常用的浓缩方式。 

根据本发明，在某一具体实施方式中，本发明的氮杂环卡宾（NHC）-金属-咪唑结构型催化剂的制备方法具体包括以下步骤： 

（1）在温度为-10-100℃下，咪唑盐和碱在第一溶剂存在下在搅拌条件下混合至溶解，再用硅藻土过滤，过滤后将滤液与通式为MY₂(MeCN)₂或MY₂(PhCN)₂的过渡金属盐在第二溶剂存在下在搅拌条件下进行第一步合成反应；具体反应过程如下所示： 

其中，将结构式为所示的咪唑盐和碱在第一溶剂中在搅拌速率为50-1500的条件下混合至溶解，优选为在该搅拌速率下搅拌30-360分钟；然后，用硅藻土过滤，过滤后，将滤液与通式为MX₂(MeCN)₂或者MX₂(PhCN)₂的过渡金属盐在第二溶剂中混合，搅拌30-120分钟； 

（2）在温度为-10-100℃下，将咪唑溶于第三溶剂中，然后逐滴加入到第一步中所得固体的溶液（或悬浮液）中，在搅拌速率为50-1500转/分的条件下搅拌20-120分钟，溶液澄清，将溶液浓缩得淡黄色 固体；具体反应过程如下所示： 

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。 

在以下实施例和对比例中用到的化学药品均购自百灵威科技有限公司。 

实施例1 

第一步：在温度为30℃下，将62.8mg（0.2mmol）碘化1-(1-甲基)乙基-3-苯基咪唑（结构式为）和43.9mg（0.22mmol）的六甲基二硅基胺基钾（KHMDS）加入到在5mL甲苯中搅拌60分钟完全溶解，用硅藻土过滤，过滤后将滤液与88.4mg（0.2mmol）的PdI₂(MeCN)₂的1,4-二氧六环（15ml）溶液混合，在温度为30℃下，搅拌30分钟；用硅藻土过滤，过滤后将滤液浓缩，得到橙色固体101.1mg，产率为92.7%。 

第二步：在温度为40℃下，将第一步中获得的橙色固体产物101.1mg（0.09mmol）溶于15ml二氯甲烷中（悬浊液），搅拌下加入咪唑 26.7mg（0.182mmol）的二氯甲烷溶液10ml，搅拌60分钟直至溶液澄清为淡黄色溶液，浓缩得127.6mg淡黄色固体，产率100%。 

实施例2 

第一步：在温度为30℃下，将46.4mg（0.2mmol）溴化1,3-二异丙基 咪唑（结构式为）和33.7mg（0.3mmol）KO^tBu的加入到在甲苯（5mL）中搅拌90分钟完全溶解，用硅藻土过滤，过滤后将滤液与88.4mg（0.2mmol）的PdBr₂(MeCN)₂的1,4-二氧六环溶（15ml）液混合，在温度为60℃下搅拌60分钟；用硅藻土过滤，过滤后将滤液浓缩，得到橙色固体78.7mg，产率为94.6%。 

第二步：在温度为30℃下，将第一步中获得的橙色固体产物78.7mg（0.095mmol）溶于15ml二氯甲烷中（悬浊液），搅拌下加入咪唑 20.9mg（0.19mmol）的二氯甲烷溶液8ml，搅拌50分钟直至溶液澄清为淡黄色溶液，浓缩得99.8mg淡黄色固体，产率100%。 

实施例3 

第一步：在温度为30℃下，将68.1mg（0.2mmol）氯化1,3-双(2,4,6-三甲基苯基)咪唑和43.9mg（0.22mmol）的六甲基二硅基胺基钾（KHMDS）加入到在5mL甲苯中搅拌180分钟分钟完全溶解，用硅藻土过滤，过滤后将滤液与51.8mg（0.2mmol）的PdCl₂(MeCN)₂的二氧六环溶液（15ml）混合，在温度为80℃下搅拌60分钟；用硅藻土过滤，过滤后将滤液浓缩，得到橙色固体87.8mg，产率为91.3%。 

第二步：在温度为40℃下，将第一步产物橙色固体产物87.8mg（0.09mmol）溶于15ml二氯甲烷中（悬浊液），搅拌下加入0.183mmol咪唑 26.4mg的二氯甲烷溶液10ml，搅拌90分钟直至溶液澄清为淡黄色溶液，浓缩得176.0mg淡黄色固体，产率100%。 

实施例4 

第一步：在温度为30℃下，将51.2mg（0.2mmol）氯化1,3-二苯基咪唑（结构式）和130.0mg（0.4mmol）Cs₂CO₃的加入到在10mL正己烷中搅拌120分钟完全溶解，用硅藻土过滤，过滤后将滤液与84.3mg（0.22mmol）的PdCl₂(PhCN)₂的四氢呋喃溶液（15ml）混合，在温度为80℃下搅拌120分钟；用硅藻土过滤，过滤后将滤液浓缩，得到橙色固体71.0mg，产率为89.7%。 

第二步：在温度为40℃下，将第一步产物橙色固体产物71.0mg（0.09mmol）溶于15ml二氯甲烷中（悬浊液），搅拌下加入0.18mmol咪唑14.7mg的二氯甲烷溶液10ml，搅拌30分钟直至溶液澄清为淡黄色溶液，浓缩得86.0mg淡黄色固体，产率100%。 

实施例5 

第一步：在温度为30℃下，将32.0mg（0.2mmol）氯化1,3-二乙基咪唑（结构式）和26.9mg（0.24mmol）KO^tBu的加入到在10mL正己烷中搅拌40分钟完全溶解，用硅藻土过滤，过滤后将滤液与64.8mg（0.25mmol）的PdCl₂(MeCN)₂的四氢呋喃溶液（15ml）混合，在温度为80℃下搅拌60分钟；用硅藻土过滤，过滤后将滤液浓缩，得到橙色固体51.2mg，产率为85.3%。 

第二步：在温度为30℃下，将第一步产物橙色固体产物51.2mg（0.085mmol）溶于15ml二氯甲烷中（悬浊液），搅拌下加入0.17mmol咪唑13.9mg的二氯甲烷溶液10ml，搅拌40分钟直至溶液澄清为淡黄色溶液， 浓缩得65.0mg淡黄色固体，产率100%。 

对比例1 

与实施例1制备NHC-金属-咪唑结构型催化剂的结构相同，所不同之处在于该制备方法中采用一步法，即通过一步合成反应，在氮气保护下NHC咪唑盐（0.21mmol），PdI₂（0.2mmol），K₂CO₃（0.22mmol）与（0.82mmol）在无水四氢呋喃中加热回流20小时，浓缩后得到的产物用硅胶柱进行分离得到淡黄色固体产物，产率63%。 

对比例2 

与实施例1制备NHC-金属-咪唑结构型催化剂的方法相同，所不同之处在于该制备方法中第一步：使用40mg（0.2mmol）的六甲基二硅基胺基钾（KHMDS）得到橙色固体88.5mg，产率为81%。 

第二步：在30℃下搅拌30分钟，产率为87%。 

对比例3 

与实施例1制备NHC-金属-咪唑结构型催化剂的方法相同，所不同之处在于该制备方法中第一步：44.2mg（0.1mmol）的PdI₂(MeCN)₂产率为40%。 

第二步：在40℃下搅拌480分钟，产率为100%。 

图1是NHC-Pd-咪唑结构晶体X-ray结构图，从该图可以看出：采用本发明的方法实施例1制备所得到的NHC-Pd-咪唑结构型催化剂培养单晶所得的数据结果证明该催化剂与所设计的相同。 

通过实施例1-5以及对比例1-3中的实验结果，可以得出本发明所使用 的两步法使得催化剂最终产率达到90%以上，且克服了现有技术中后处理需要使用硅胶柱进行分离，不利于大规模生产，且在分离过程中会有一定量的催化剂分解的损失等缺点。