Fe/ppm Ni纳米催化体系的设计及其在交叉偶联反应中的应用

Transition metal catalyzed cross couplings has been a predominant means of molecule construction. In particular, typically precious metal catalysis has been fully documented after several years’ development. However, the precious metal contaminates to the product inhibits its otherwise widely application in organic synthesis and medical chemistry. In combination of micelle catalysis and nano catalysis, we report here the design of micelle stabilized Fe/ppm Ni nano catalytic system which aims to fulfill the efficient catalysis for Suzuki-Miyaura cross coupling, avoid the usage of precious metal and address the metal contamination problem via system recycle. The most outstanding feature of this project lies that it only contains parts-per-million (ppm) levels of nickel. Iron works as the theoretical carrier for nickel which helps to disperse and stabilize the nickel react center as well as to improve the reactivity through Fe/Ni interaction. Meanwhile, micelle system is used to stabilize and model the nanoparticles and provide the hydrophobic medium for cross coupling. Overall, this project offers a novel, economical and green approach for Suzuki-Miyaura coupling, and has an important guidance on the design of other types cross couplings.

过渡金属催化的交叉偶联反应是构建分子骨架最高效的方法之一。历经多年发展，逐渐开发出了以贵金属为代表的成熟的催化体系。但与此同时，这些体系中贵金属对产品的污染限制了其在有机合成、药物化学等领域中的应用。本项目以其中最具代表性的Suzuki-Miyaura（SM）反应作为研究对象，结合胶束催化与纳米催化的优势，设计水相胶束稳定的Fe/ppm Ni纳米催化体系，实现该反应的高效催化，避免贵金属的摄入，并通过体系的回收，解决产品中的金属污染问题。该体系最大的特点在于体系中镍的使用量仅为ppm（百万分之一）级别，其中铁纳米作为镍理论上的载体，既能分散并稳定镍活性中心，又能通过铁/镍相互作用，提高催化活性。而胶束体系对纳米的形成起到模板与稳定作用，并为偶联反应的进行提供所需的疏水环境。总的来说本项目提供了一种新颖、经济、绿色的SM交叉偶联催化体系，并对其在其他类型的偶联中的应用具有指导作用。

过渡金属对产品的污染是过渡金属催化的偶联反应中一个亟待解决的问题。本项目拟研究水相胶束中Fe/ppm Ni纳米催化体系，并最终应用到基于杂环底物的交叉偶联反应，源头上减少重金属催化剂的使用，解决合成过程中金属的污染问题。通过研究，本项目合成了辅酶内核，和联吡啶内核的配体型表面活性剂。并通过湿法还原的方法分别得到Fe/ppm Ni纳米催化体系和Fe/ppm Ir纳米催化体系。随后利用这些催化体系分别实现了水相胶束体系中的Suzuki偶联反应，Chan-Lam偶联反应，光催化环丁酮肟酯与有机硫化合物的碳硫偶联反应以及烯烃的硫羟基化等反应，并对配体合成中的关键合成问题进行了方法学研究。其中，铁/ppm铱纳米催化体系应用于环丁酮肟酯与有机硫化合物的碳硫偶联反应，相较于传统反应取得了较大突破。过渡金属催化的碳硫偶联反应面临着催化剂易失活，用量大，需要大量的配体，适用范围窄，不能回收等问题，尤其是反应后由于含硫基团的存在，会导致大量的金属残余。而本项目开发的方法解决了上述问题，结合可见光光催化，其中铱光催化剂的用量可以低质4000ppm，产物收率高达99%，且产物中检测不到重金属催化剂的残留，为碳硫键的构建提供了高效绿色的合成方法，具备工业应用的前景。