水溶性膦配體兩相催化反應的研究進展*

陳 維

(浙江醫藥高等專科學校，浙江 寧波 315100)

近三十年來水溶性膦配體的出現和發展極大推動了對以水溶性過渡金屬有機配合物為催化劑的水/有機兩相催化反應的研究和應用。根據膦配體結構中親水基的不同, 可將水溶性膦配體按表面活性劑的分類，分為陰離子型、陽離子型、兩性、非離子型四類，其中陰離子型的水溶性膦配體最為常見[1]，特別是含磺酸基的TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)已在丙烯的氫甲酰化反應、α,β-不飽和醛的選擇性氫化、交叉偶聯反應等催化反應中獲得應用, 較好地解決了均相絡合催化反應中催化劑分離難的問題[2-3]。本文對近年來幾種重要的水溶性膦配體及其過渡金屬配合物在兩相催化反應中的最新研究進展進行綜述。

1 催化交叉偶聯反應

近年來一些新的水溶性膦配體的應用，如親水性單膦配體，雙膦配體等，水溶性膦-鈀配合物催化的偶聯反應取得了很大的進展[4]。1990年，Calabrese等[5]首次通過磺化修飾傳統的膦配體獲得水溶性膦配體用以催化水相偶聯反應(如圖1所示)。

圖1 磺化膦配體Fig.1 Sulfonated phosphorus ligands

1997年，Beller等報道了糖類取代的三芳基膦配體催化的兩相Heck和Suzuki反應，并且在相同反應條件下，收率和催化活性均優于TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)[6],如圖2所示。

圖2 糖類取代的三芳基膦配體催化的兩相Heck和Suzuki反應Fig.2 Efficient two-phase Heck and Suzuki couplings,using carbohydrate-substituted triarylphosphanes ligands

2003年，Shaughnessy等[7]報道了水溶性磺化膦配體(TXPTS)-鈀配合物在水相和室溫條件下，高效的催化一步直接Suzuki芳基化反應(如圖3所示)。相對于TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)，TXPTS由于位阻更大，催化活性更高，反應能在室溫下30 min內獲得95%以上的轉化率。

圖3 水溶性膦配體-鈀配合物高效催化一步直接Suzuki芳基化反應Fig.3 Efficient one-step Suzuki arylation, using water-soluble palladium catalysts

2004年，Shaughnessy等[8]又報道了大位阻的水溶性磺化膦配體(TXPTS)-鈀配合物在水相中，高效催化芳基溴的Heck和Suzuki反應(如圖4所示)。

圖4 水溶性膦配體(TXPTS)-鈀配合物高效催化芳基溴的Heck 和Suzuki反應Fig.4 Efficient aqueous-phase Heck and Suzuki couplings of aryl bromides using TXPTS

2005年，Buchwald等[9]報道了比TXPTS位阻更大的鄰位二異丙基取代的芳基膦配體，通過該大位阻水溶性磺化聯苯膦配體-鈀配合物在水中成功的實現了催化低活性芳基氯和挑戰性高位阻底物的高難度Suzuki和Sonogashira反應(如圖5所示)。

圖5 水中催化芳基氯的 Suzuki和Sonogashira反應Fig.5 Suzuki and Sonogashira coupling reactions of aryl chlorides in water

2002年，Savignac等[10]報道了新型水溶性羧基官能團化的膦配體(m-TPPTC)-鈀配合物在水相中，高效催化分子內和分子間Heck反應(如圖6所示)。

圖6 水溶性膦配體催化分子間Heck反應Fig.6 Water-soluble phosphanes and applications in intramolecular Heck reactions

2004年，Shaughnessy等[11]報道了新型水溶性季銨鹽取代的大位阻烴基膦配體，該配體具有雙叔丁基大位阻基團和季銨鹽水溶性官能團，水相中催化偶聯反應的效率顯著高于傳統的TPPTS(間-三苯基膦三磺酸鈉鹽)。該水溶性季銨鹽大位阻烴基膦配體和鈀配位，在水相中較溫和的條件下(室溫到50 ℃范圍內)成功催化芳基溴的Heck，Suzuki和Sonogashira等交叉偶聯反應(如圖7所示)，而且該催化劑可循環催化四次以上。

圖7 水溶性大位阻烴基膦配體高效催化芳基溴的Heck,Suzuki和Sonogashira反應Fig.7 Efficient aqueous-phase Heck, Suzuki and couplings of aryl bromides, using water-soluble, sterically demanding alkylphosphines

2005年，De Jesús等[12]報道了新型冠醚功能化的膦配體，通過冠醚取代，該膦配體具有一定的水溶性，可在水相中催化芳基碘的Stille偶聯反應(如圖8所示)。

圖8 冠醚膦配體在水中催化芳基碘的Stille反應Fig.8 Stille coupling of aryl iodides in water, using crown ether phosphane ligands

2006年，De Jesús等[13]又報道了冠醚膦配體在氫氧化鈉水溶液中催化芳基溴和芳基硅酸酯的偶聯反應(如圖9所示)。

圖9 冠醚膦配體-鈀配合物在氫氧化鈉水溶液中催化芳基溴和芳基硅酸酯的偶聯反應Fig.9 Coupling reactions of aryl bromides and arylsiloxanes in water catalyzed by palladium complexes of crown ether phosphane ligands

2000年，Stelzer等[14]報道了含胍基和磷酸鹽官能團的水溶性芳基膦配體，及其催化的 P-C偶聯和Suzuki反應(如圖10所示)。

圖10 兩相Suzuki和P-C偶聯反應Fig.10 Two-phase Suzuki and P-C coupling reactions

2003年和2004年，Plenio等連續報道了聚合物MeOPEG負載和雙金剛烷取代的膦配體，及其鈀配合物催化兩相Sonogashira[15]和Suzuki偶聯反應[16](如圖11所示)，聚乙二醇衍生物官能團化使得該膦配體具有一定的水溶性，雙金剛烷取代所帶來的巨大空間位阻讓該膦配體具有很高的催化活性，對于鈍化的芳基氯底物Suzuki偶聯反應仍具有較高的轉化率，且可循環催化六次。

圖11 MeOPEG取代的膦配體催化兩相Sonogashira偶聯反應Fig.11 Biphasic Sonogashira Coupling, Using MeOPEG-Bound Phosphine-Palladium Catalysts

2017年，Jiang等[17]報道了TPPTS作為水溶性配體，K2PdCl4為鈀源，HCOONa作為還原劑生成的的鈀納米粒(PdNPs)催化劑，在室溫下水相中高效催化Suzuki反應。通過對催化機制的深入研究，揭示了TPPTS作為配體對該水相可分散的鈀納米粒(PdNPs)催化劑起到了關鍵的穩定和活化作用。研究還發現，偶聯反應的活性主要由鈀納米粒(PdNPs)的大小決定。該反應體系中，由HCOONa還原所得的最小(約1.5納米直徑)鈀納米粒(PdNPs)具有最高的催化活性(如圖12所示)。

圖12 TPPTS穩定的鈀納米粒室溫下催化水相suzuki偶聯反應Fig.12 PdNPs stabilized by TPPTS for aqueous phase room temperature suzuki coupling

2 催化氫甲酰化反應

2019年，Yuan等[18]報道了水溶性膦配體(BISBIS或TPPTS)-銠配合物在聚乙二醇(PEG)中非水兩相催化長鏈烯烴的氫甲酰化反應。其中，反應在PEG-200條件下效率最高，以15 min獲得95%以上轉化率，催化劑和PEG-200均能方便的分離。銠的金屬流失在產品中低于0.06wt%(如圖13所示)。

圖13 BISBIS(或TPPTS)-銠配合物催化的非水兩相氫甲酰化反應Fig.13 Nonaqueous Biphasic hydroformylation catalyzed by BISBIS(or TPPTS)-rhodium complex

2019年，Zheng等[19]報道了水溶性膦配體(TPPTS)-銠配合物在甲醇中催化均相長鏈烯烴的氫甲酰化反應及催化劑循環研究。反應結束后，通過離心就能方便的將催化劑分離出來。該催化反應體系可循環催化五次，催化活性無明顯降低，且產物中的銠金屬流失低于0.03%(如圖14所示)。

圖14 TPPTS-銠配合物催化的均相氫甲酰化反應Fig.14 Homogeneous hydroformylation catalyzed by TPPTS-rhodium complex

3 催化氫化反應

圖15 水溶性釕(II)-膦配合物催化氫化肉桂醛Fig.15 Hydrogenation of cinnamaldehyde catalyzed by a water-soluble Ru(II)-phosphine complex

4 結 語

近年來，新型水溶性膦配體的研究，催化反應機理及應用研究都取得了令人矚目的成績，開發出了大位阻磺化膦配體、天然碳水化合物取代的膦配體、聚醚基取代的膦配體、羧基官能團取代的膦配體、水溶性季銨鹽大位阻烴基膦配體、冠醚取代膦配體、磷酸鹽官能團化膦配體等類型的優良水溶性膦配體。這些新型水溶性膦配體的研究一方面是對于原有膦配體通過增大位阻和調節電子效應的改造獲得活性更高的新配體，另一方面通過將新型水溶性官能團引入膦配體獲得不同催化性能的水溶性膦配體。與此同時，催化機理研究方面例如水溶性膦配體和過渡金屬形成的水相可分散的鈀納米粒(PdNPs)對催化劑活性起到了關鍵的穩定和活化作用等研究，水相催化劑回收和循環催化研究都取得了很大的進展。

水溶性膦配體的研究又大力推動了水相有機金屬催化和綠色化學的發展。水溶性膦配體與過渡金屬配合物為催化劑的水/有機兩相催化反應的研究已經涵蓋加氫反應、Heck反應、Suzuki反應、Sonogashira反應、Stille反應、烯烴的氫甲酰化反應等。隨著綠色化學的發展潮流和對水/有機兩相催化研究的不斷深入，將開發出更多功能化的水溶性膦配體，從而進一步擴展水溶性膦配體的研究和應用[1]。