有机卤化物羰基化反应钴、钯催化体系研究：从均相到多相
过渡金属催化的有机卤化物羰基化反应是合成羧酸及其衍生物最有效的方法之一，其底物廉价易得、官能团容忍性好、效率高、原子经济性好，这些优点使它成为碳一化学领域重要的研究方向，被广泛用于合成大宗化学品、精细化学品、特殊化学品及高分子材料。然而，一些具有重要工业应用前景的羰基化反应还面临反应条件苛刻、催化效率低、选择性差等问题；此外，有机卤化物羰基化反应常常采用均相催化剂，尽管均相催化剂一般具有很好的活性和选择性，但是催化剂难以重复使用，为其实际的应用带来诸多限制。因此，提升已有催化反应体系，从均相到多相，开发更高效的羰基化反应体系将有助于推动羰基化反应的工业化进程。 本论文从创新催化反应体系、改进已有催化反应体系和探索新型多相化催化体系三个方面研究过渡金属钴、钯催化的有机卤化物羰基化反应，全文共分为六个章节： 第一章、主要综述了羰基化反应的发展概况，并重点介绍了近几年钯和钴的均相及多相催化体系在有机卤化物羰基化合成酯、酰胺及芳香羧酸反应中的研究进展。概述了钯和钴催化有机卤化物羰基化反应的反应机理。 第二章、研究了季铵盐卤化物的羰基化反应性能。在钴催化剂的作用下，实现了季铵盐卤化物羰基化合成三级酰胺，一些三级酰胺的收率可接近或高于95％，且主要副产物卤代烷可以回收利用。通过设计实验，证实了季铵盐卤化物可以通过催化和热解两种途径断裂其 C-N键。本章对季铵盐卤化物羰基化反应的历程进行了仔细分析，并提出了可能的反应机理。该方法为三级酰胺的合成提供了一种新的途径。同时，对于了解季铵盐作为溶剂或助剂在羰基化反应体系中的稳定性也有一定帮助。 第三章、在第二章研究工作的基础上，研究了钯催化剂在季铵盐卤化物羰基化合成酰胺反应中的应用，进一步提高了该反应的催化活性。考察了影响反应的各种因素，筛选出简单高效的无配体PdCl2催化剂，在0.05 mol%的催化剂用量下，三级酰胺的收率可达76.9-96.9%，TOF值最高为289 h-1。此外，在优化的实验条件下，考察了 Pd/C催化剂的活性，结果表明 Pd/C催化剂在本反应体系中具有优异的催化活性和良好的循环使用性能。无配体钯催化体系的建立，为季铵盐卤化物羰基化合成酰胺的工业应用奠定了良好的实验基础。 第四章、研究了有机氯化物烷氧基羰基化合成羧酸酯。以二氯甲烷的乙氧基羰基化反应为模型反应，详细地考察了影响反应的各种因素，筛选出了简单高效的PdCl2/Bu4NI催化体系，在优化的实验条件下，丙二酸二乙酯和醋酸乙酯的总收率可达67.3%。接着，研究了催化反应体系的底物普适性，PdCl2/Bu4NI催化体系对多种类型的有机氯化物均具有较高的活性。本章还仔细地考察了助剂 Bu4NI的作用，发现 Bu4NI具有稳定无配体钯催化剂和活化惰性 C-Cl键的双重作用。基于实验结果，提出了PdCl2/Bu4NI催化有机氯化物烷氧基羰基化反应可能的反应模型。 第五章、多孔有机聚合物是近年来发展的一种新型功能材料，具有较大的比表面积、开放的孔结构、较高的化学稳定性，以及能在其孔结构中引入功能性的化学官能团等特点，在多相催化领域具有很好的应用前景。本章研究了一种交织着三苯基膦的有机微孔聚合物负载的钯催化剂在卤代芳烃烷氧基羰基化反应中的应用。结果表明，该催化剂对碘代芳烃的烷氧基羰基化反应具有很好的活性和底物普适性。在常压一氧化碳的条件下，芳香甲酸酯的收率可达74-99%。该催化剂至少可以循环套用10次，且具有极低的钯流失率。 第六章、水是一种廉价、安全、无毒的绿色反应介质，因此，水作为反应溶剂的羰基化反应引起了广泛的关注。但是，水相羰基化反应最常用的催化剂是水溶性的金属配合物催化剂，这些均相催化剂通常难以从反应体系中分离，为实际应用带来诸多困难。为此，本章设计合成了具有亲水亲油双亲性能的多孔聚脲，并制备负载型多相钯催化剂。将该催化剂用于卤代芳烃水相羰基化合成芳香甲酸的反应中，表现出良好的催化活性及循环使用性能。基于表征和实验结果，探讨了催化剂结构与催化性能间的构效关系，揭示了催化剂的双亲性能对水相羰基化反应活性的重要作用。该多相催化体系的建立为水相羰基化反应的多相催化剂制备提供了一种新的思路。
有机卤化物;羰基化反应;过渡金属;均相催化体系;多相化策略
华中科技大学
博士
材料物理与化学
李光兴
2015
中文
O622.2;O643.36
183
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）