水溶性硫脲配体的合理设计、合成及应用于钯催化的交叉偶联反应研究

A particular challenge is the development of environmentally friendly, safe and energy/resources saving protocols, which allows us to perform the cross-coupling reactions in aqueous media. With palladium-catalyzed cross-coupling reactions being widely applied for the synthesis of fine chemicals, functional materials and industrial starting materials, the development of water-soluble Pd compounds as highly efficient catalysts for cross-coupling reactions in aqueous reaction media has become an important field of research. However, most of the traditional ligands are air and moisture sensitive, restricting the reuse of the catalyst and leading to undesirable residues under aqueous reaction conditions. Accordingly, current work is focused on the search for new catalytic system overcoming limitations of recyclability and stability. Notably, toxicity examinations—important when applying such compounds as catalysts in larger amounts in industry—are extremely rare. Therefore, introducing more stable and less toxic ligands is desirable. During our continuous studies on cyclic bulky monothiourea and bis(thiourea) ligands, we are interested in the undeveloped water-soluble and reusable thiourea-palladium complexes. Inspired by the development of the water-soluble NHC ligands, we envisaged that water-soluble thiourea- palladium complex catalyzed cross-coupling reactions in aqueous media would be possible. Utilization of water-soluble homogeneous thiourea- palladium catalysts in aqueous can overcome the limitation of costly catalyst recycling and presents further advantages to achieve the goals of green chemistry.

发展环境友好，安全和节约能源资源的在水相中催化交叉偶联方法是一个大的挑战。随着钯催化的交叉偶联反应广泛应用于精细化学品，功能材料和化工生产原料，发展水溶性钯化合物作为高效催化剂在水相中催化交叉偶联反应已经成为一个重要的研究领域。然而，大部分传统配体对空气和水敏感，限制了催化剂在水相反应中的重复使用并导致杂质残留。相应地，本研究致力于探寻新型催化体系以克服催化剂循环和稳定性局限。特别是水溶性配体毒性实验罕有报道，而当工业生产大规模应用这些催化剂时，毒性实验显得尤为重要。因此，发展更稳定和低毒的配体是非常必要的。基于前期研究环状大位阻单、双硫脲配体工作基础，我们将目光投向方兴未艾的水溶性可重复使用硫脲-钯络合物。受水溶性NHC配体的启发，我们设想水溶性硫脲-钯络合物在水相中催化交叉偶联反应是可行的。水相中利用水溶性硫脲-钯均相催化剂可以解决昂贵催化剂的循环催化难题从而更有利于实现绿色化学目标。

钯催化的交叉偶联反应是合成碳-碳键最有力的工具之一。发展环境友好，安全和节约能源资源的在水相中催化交叉偶联方法是一个大的挑战。随着绿色化学越来越受到重视，发展水溶性钯配合物作为水相交叉偶联反应的可回收催化剂的研究越来越受到关注。虽然许多水溶性膦配体被应用于膦-钯催化剂，但是膦配体对空气的敏感性极大的限制了催化剂回收及其应用。因此，我们的研究致力于寻找新的催化体系来克服传统催化剂在可回收性和稳定性方面的局限。Suzuki-Miyaura反应是一种广泛应用和强大的有机合成工具。虽然近年来一些水溶性氮杂卡宾 (NHCs) 催化的水相Suzuki-Miyaura反应研究已经取得了一些成果，但是在室温下进行反应还是很困难的。特别是水溶性氮杂卡宾配体毒性实验罕有报道，而当工业生产大规模应用这些催化剂时，毒性实验显得尤为重要。因此，发展更稳定和低毒的配体是非常必要的。基于我们前期研究环状大位阻单、双硫脲配体工作基础，我们将目光投向方兴未艾的水溶性可重复使用硫脲-钯络合物。受硫脲化合物的毒性实验数据鼓舞，我们认为制备低毒性、可回收的水溶性硫脲-钯配合物是可行的。我们的研究就是合理设计和制备水溶性硫脲配体，并评价其在催化水相Suzuki-Miyaura反应中的表现。我们制备了八个羧基官能团化的硫脲配体并在水相Suzuki-Miyaura反应中考察了配体的反应活性及可回收性。具有四个羧基的大位阻单硫脲配体在催化芳基溴何芳基硼酸的反应中表现出最佳的催化活性和可回收性。更重要的是该催化反应体系可以在室温下进行，并且催化剂能循环使用五次以上。透射电镜（TEM）显示反应时生成了钯纳米粒，而水溶性硫脲配体可以稳定这些钯纳米粒。这些新的水溶性硫脲配体在空气中和水中都是很稳定的，反应中生成的钯纳米粒能非常方便的在水和空气中进行回收。我们课题组将继续改进和优化水溶性硫脲配体设计和合成，并拓展到更多的水溶性硫脲配体-钯和其他过渡金属催化反应中。