一种用于Chan-Lam偶联反应的简便且可重复使用的异相催化剂

《Journal of Organometallic Chemistry》：A Facile and Reusable Heterogeneous Catalyst for Chan- Lam Coupling Reaction

本研究开发了一种新型聚合物支持铜催化剂mPAN-Cu，用于Chan-Lam耦合反应。通过FTIR、XRD等表征证实其结构稳定，在室温、甲醇介质中仅需碳酸钠即可实现高效合成N-芳基化合物，产物收率达92%，催化剂经多次循环后活性保持良好。

　　

作者：Suku Arya、Fathimathul Rinsana、Shajahan Rubina、Saithalavi Anas

印度喀拉拉邦科塔亚姆马哈特玛·甘地大学化学科学学院，邮编686560

摘要

Chan-Lam偶联是一种高效的过渡金属催化的C-N键形成方法，用于合成各种N-芳基化分子结构。尽管该领域取得了显著进展，但由于反应条件苛刻且需要使用昂贵的催化剂，C-N键的构建仍然具有挑战性。在这里，我们开发了一种简便且可重复使用的聚合物负载铜催化剂（mPAN-Cu），通过将氯化铜引入适当功能化的聚丙烯腈（PAN）中来实现Chan-Lam偶联反应。经过详细的表征（FTIR、XRD、XPS、ICPMS和EDAX分析），mPAN-Cu被成功优化为在温和反应条件下用于p-茴香胺（1a）和苯硼酸（2a）之间偶联的有效异相催化剂。通过在室温下使用一系列取代苯胺和苯硼酸并在Na₂CO₃存在下进行实验，进一步证明了该反应的通用性。此外，这种催化剂具有优异的可回收性，只需简单过滤即可重复使用多个反应循环，而其稳定性和活性几乎没有明显损失。

引言

碳氮（C-N）键的构建被认为是有机合成中最基本和最重要的步骤之一，这主要是因为它在制药、农化和材料科学等众多应用中的广泛重要性[1]。由于超过80%的市售药物至少含有一个碳氮（C–N）键，因此已经开发了许多合成转化方法来促进这些结构基团的引入[2]。在这些方法中，过渡金属催化的C-N键形成是合成N-芳基化化合物的有效方法之一[3]。1903年，Ullmann和Goldberg通过揭示了一种通过铜催化的芳基卤化物胺化反应来合成芳胺的直接方法，为此领域做出了重要贡献[4]。然而，这一反应存在一些限制，影响了其实用性。1983年，T. Migita及其同事提出了一种使用三丁基（N, N-二乙氨基）锡作为胺源的钯催化的芳基溴化物胺化方法[5]。十年后，Stephen L. Buchwald等人[6]和John F. Hartwig等人[7]通过改进的钯催化方法开辟了合成芳胺的新途径。然而，这些反应也需要强碱、昂贵配体、高温、有毒溶剂和钯前催化剂。鉴于这些缺点，1998年D.M. Chan[8]和Y. S. Lam[9]独立地提出了在温和反应条件下通过芳胺和苯硼酸的氧化偶联反应实现铜介导的N-芳基化的重大进展。尽管随后有许多关于这种均相催化Chan-Lam偶联反应改进和扩展的研究[10]，但由于均相催化系统的固有缺点，开发更简单、更通用的异相催化系统仍然非常有必要。

在这种情况下，将均相催化剂负载到稳定的固体载体上可以简化催化剂的回收，最终实现简单、经济、环保和可持续的过程[11]。迄今为止，已经使用了多种材料（如二氧化硅、氧化石墨烯、生物聚合物、金属有机框架、共价有机框架和磁性纳米颗粒）作为Chan-Lam偶联反应中铜催化剂的载体[12]（图1）。例如，G. Calleja等人报道了一种可重复使用的金属有机框架（MOF）负载铜催化剂（URJC-1-MOF）[13]，Mittal等人探索了氧化石墨烯负载的Cu（II）配体复合物（GO@AP/L-Cu）用于Chan-Lam反应[14]。在另一项研究中，P. S. Pharande及其同事使用纤维素作为Cu（II）Schiff碱复合物的可持续载体，有效地用于苯硼酸与仲胺的偶联[15]。

然而，聚合物负载系统因其易于合成、稳定性好、选择性高以及从反应混合物中容易分离而非常有前景[16]。K. Pitchumani等人广泛开发了基于三嗪的中孔共价亚胺聚合物，用于固定铜（II）离子，并将其作为生物活性胺和苯硼酸的Chan-Lam交叉偶联反应的有效催化剂[17]。随后，Mitrofanov等人开发了基于聚（N-乙烯基咪唑-co-N-乙烯基己内酰胺）的铜催化剂[18]，P. Phukan等人开发了Cu-聚（4-乙烯基吡啶-co-乙基乙烯基苯）催化剂用于Chan-Lam偶联反应[19]。H. Wang等人开发了一种后合成策略，通过硫醇-炔点击反应将Cu（II）-菲咯啉复合物共价连接到BODIPY（4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-茚）基POPs（多孔有机聚合物）表面，所得杂化材料同样可用作该反应的催化剂[20]。然而，基于聚丙烯腈的载体系统在Chan-Lam偶联反应中很少被研究。在这方面，W. Zhang及其同事报道了使用聚丙烯腈纤维（PANF）负载的铜催化剂用于合成N-芳基咪唑和N-芳基磺酰胺[21]。受到这一研究的启发，并延续我们之前关于改性PAN负载催化剂的研究[22]，我们现在探索了一种新型的功能化PAN负载铜催化剂用于Chan-Lam偶联反应。

材料

试剂和溶剂从商业供应商处购买，包括Merck & Co., Inc、Spectrochem Pvt., Ltd、Tokyo Chemical Industry Co., Ltd (TCI)、NICE CHEMICALS Pvt., Ltd等，溶剂通过标准程序蒸馏。所有实验均在烘箱干燥的玻璃器皿中进行，大气条件下进行。傅里叶变换红外（FTIR）光谱在Perkin Elmer仪器上记录，范围为4000-400 cm^?1，大气条件下。

结果与讨论

负载铜复合物（mPAN-Cu）是通过图2[22c]中所示的步骤制备的。第一步是使用单乙醇胺（MEA）对聚丙烯腈（PAN）中的硝基进行合成修饰，得到改性聚合物（mPAN）。然后，mPAN与氯化铜络合形成聚合物复合物（mPAN-Cu）。

PAN、mPAN和mPAN-Cu首先通过FT-IR分析进行了表征。FTIR光谱（图1）显示了特征性的C-N键

结论

总结来说，我们开发了一种新型、高效且可重复使用的mPAN-Cu催化剂，用于Chan-Lam偶联反应，能够获得良好的产率。该催化剂通过将氯化铜固定在单乙醇胺功能化的聚丙烯腈（mPAN）上来制备，并通过FTIR、XRD、XPS、EDS和ICPMS分析进行了表征，证明了金属成功结合在聚合物载体上。mPAN-Cu随后被用作有效的异相催化剂

作者贡献声明

Suku Arya：撰写初稿、编辑、概念化方法、实验设计、数据分析。

Fathimathul Rinsana：数据分析。

Shajahan Rubina：数据分析。

Saithalavi Anas：撰写-审稿与编辑、验证、监督、概念化。

致谢

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

Suku Arya感谢马哈特玛·甘地大学提供的研究奖学金（注册号：52/2020）。作者感谢SES（马哈特玛·甘地大学）提供的ICPMS分析、CSIR-NCL Pune提供的XPS分析以及SAIF（马哈特玛·甘地大学）提供的EDS分析。