水相Heck反應在有機化學實驗中的應用*

查正根 張振雷 鄭小琦, 汪志勇,

(1中國科學技術大學化學實驗教學中心 安徽合肥 230026；2中國科學技術大學化學系 安徽合肥 230026)

Heck反應是在20世紀70年代由Richard F.Heck等發現的一類重要的形成與不飽和雙鍵相連的新C—C鍵的反應[1-2]。在過去40年中，Heck反應逐漸發展成為一種應用廣泛的有機合成方法，成為現代有機合成的重要手段之一，在天然產物合成、醫藥以及新型高分子材料制備等領域有著重要的應用價值[3-6]。2010年，Richard F.Heck因對該反應的開創性研究而獲得諾貝爾化學獎[7]。雖然該反應在工業及科研中應用很廣泛，但在大學的基礎有機化學實驗中卻鮮見。其原因一方面是該反應條件比較苛刻，對于學生的實驗技能要求較高[8-9]；另一方面是該反應的反應時間較長，有時可達到10多個小時[10-11]，這對于學生實驗而言時間偏長。為了解決這兩方面的問題，我們通過文獻調研和研究，改進了反應條件，在水相中采用常規、超聲波(US)、微波(MW)方法，在較短時間、相對溫和的條件下得到較好的結果。我們開設的Heck反應實驗有以下特點：

(1) 溫和的反應條件。一般的偶聯反應都需要在無水無氧的條件下進行，而近年來隨著綠色化學的興起，研究工作者對于該類反應進行了更深入的研究，發現在純水中也可以完成[12]，因此，我們嘗試在純水中，以PdCl2為催化劑，碳酸鈉為堿，回流12小時可以得到中等的收率。

(2) 較短的反應時間。在有機化學實驗中，要想在較短的時間得到比較好的結果，可嘗試使用微波[13]、超聲波方法[14]。我們發現在微波條件下，15分鐘即可使反應完全，而且收率較高。

(3) Heck反應是在水相中進行，以PdCl2為催化劑，不需用配體，符合綠色化學理念。

1 實驗目的

(1) 學習PdCl2催化的水相Heck反應實驗設計。

(2) 練習微型實驗操作和純化方法。

(3) 學習微波、超聲波技術在有機化學實驗中的應用。

2 反應式

該實驗的反應式如下圖所示：

3 主要儀器和試劑

儀器：Discover SP微波反應器(CEM)，超聲波清洗器(40kHz)，400MHz Bruker FT-NMR 核磁共振儀。

試劑：碘苯、丙烯酸均為國藥分析純試劑，無機堿均為市售分析純，柱層析使用200～300目硅膠，氘代氯仿為溶劑，三甲基硅(TMS)為內標。

4 實驗步驟

在實驗教學中，選用不同的底物與不同的實驗條件組合，進行優化實驗。現以碘苯與丙烯酸在微波條件下PdCl2催化的Heck反應為例。

反應在Discover微波反應器中進行，在微波反應管中先后加入PdCl2(1mg)，碳酸鈉、丙烯酸、碘苯(1mmol，125μL)和水(2mL)，攪拌均勻后，放入微波反應器中，在125℃反應15分鐘。反應結束后，向反應液中加入稀鹽酸，酸化至藍色石蕊試紙褪色，用乙酸乙酯萃取3次，無水硫酸鈉干燥1小時，然后通過減壓蒸餾除去溶劑，得到固體粗產品；通過硅膠柱層析分離進一步純化所得產品。產率可達87%。

5 結果與討論

5.1 反應物比例的影響

表1 不同條件下PdCl2催化的水相Heck反應

n(碘苯)=1mmol，n(丙烯酸)=1.5mmol，V(H2O)=2～3mL

5.2 堿的影響

5.3 反應時間的影響

超聲波(US)和微波(MW)雖然在較短的時間內能夠完成反應，但如果進一步縮短反應時間，發現會有少部分的碘苯沒有反應，而延長反應時間對于產率的提高沒有顯著的效果。

在常規條件下，PdCl2催化的水相Heck反應可能的機理如圖1所示。通過氧化加成、配位、插入和消除,實現Pd的循環催化，完成Heck反應。在超聲波條件下，原位生成Pd納米粒子，增加了Pd的催化活性，由于是異相反應體系，Pd分離后能循環使用[8]。

圖1 PdCl2催化的水相Heck反應可能的機理

譜圖數據如下：

3-苯基丙烯酸1H NMR(400MHz,CDCl3):δ6.47(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):δ171.2(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 總結

通過對水相Heck反應的進一步研究，在常規、超聲波、微波條件下設計探索性實驗，在比較溫和的條件下及很短的時間內就可以完成該反應，從而可為Heck反應在大學有機化學實驗課程中的應用提供借鑒。

[1] Heck R F.JAmChemSoc,1968,90: 5518

[2] Dieck H A,Heck R F.JAmChemSoc,1974,96:1133

[3] Daves G D Jr,Hallberg A.ChemRev,1989,89:1433

[4] Beletskaya I P,Cheprakov A V.ChemRev,2000,100:3009

[5] Dounay A B,Overman L E.ChemRev,2003,103:2945

[6] Shibasaki M,Vogl E M,Ohshima T.AdvSynthCatal,2004,346:1533

[7]AngewChemIntEd,2010,49:8300

[8] Battace A,Zair T,Doucet H,etal.Synthesis,2006:3495

[9] Lipshutz B H,Taft B R.OrgLett,2008,10:1329

[10] Cui X,Li J,Zhang Z P,etal.JOrgChem,2007,72:9342

[11] Li H J,Wang L.EurJOrgChem,2006,5101

[12] De Vasher R B,Moore L R,Shaughnessy K H.JOrgChem,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,etal.JOrgChem,2006,71:4339