基于钯离子荧光探针的非均相钯催化剂及其催化C-C偶联反应的性能研究

Palladium-catalyzed cross coupling reaction is a common approach for the formation of C-C bond, which has been widely used in the synthesis of natural products and active pharmaceutical ingredients (APIs). In spite of the good selectivity and high yield, homogeneous palladium catalysts have some shortcomings, such as expensive cost, limited reusability and palladium contamination in APIs. Heterogeneous catalysts, such as Pd/C catalysts, have been reported for catalyzing different C-C coupling reactions, but there still exist palladium leaching and palladium contamination issues. Aiming at the above problems, we will construct novel “magnetically recoverable” heterogeneous palladium catalyst Pd@FSM@Fe3O4, with Fe3O4 nanoparticles as ‘core’, and mesoporous silica nanoparticles as ‘shell’ which is covalently linked by a fluorescent probe for palladium ions. Then, we will investigate the catalyzing performance of Pd@FSM@Fe3O4, and its sensing ability and separation ability of palladium in Suzuki, and Heck coupling reactions. This project will provide new multi-functional palladium catalyst for the C-C coupling reactions. It is of great significance for the development of Fine Organic Chemical Engineering discipline, and cleaner production and the sustainable development of chemical pharmaceutical industry.

钯催化的交叉偶联反应是形成碳-碳键的常见方法，已被广泛应用于合成具有复杂结构的天然产物和活性药物成分。均相钯催化剂在催化C-C偶联反应时，具有选择性好、产率高等优点，但其价格昂贵，无法循环使用，并容易残留在活性药物成分中，给人体造成潜在危害；钯炭等非均相催化剂目前已逐步应用于催化C-C偶联反应，但在使用过程中存在钯流失、钯残留等问题。针对上述问题，本项目拟以Fe3O4磁性纳米粒子为核，介孔氧化硅为壳，将具有钯配体、钯识别、钯脱除功能的钯离子荧光探针共价结合于纳米粒子表面，构筑基于钯离子荧光探针的“可磁回收的”非均相钯催化剂，研究其在催化Suzuki、Heck等C-C偶联反应中的催化性能、钯检测与钯脱除功能。本项目的完成将为C-C偶联反应提供新型多功能钯催化剂，并为精细有机化工学科的发展提供新的思路，在化工制药行业的清洁生产与可持续发展中具有重要意义。

非均相钯催化剂具有稳定性好、易分离回收、可重复利用等优势，被广泛应用于催化氢化、氧化、还原及偶联反应中。本项目以高选择性钯离子荧光探针为基础，构建了一种磁性可回收的非均相钯催化剂，并将其应用于催化碳-碳交叉偶联反应。我们首先以本课题组报道的钯离子荧光探针A1为基础，将其共价修饰在包覆二氧化硅的四氧化三铁磁性纳米材料SiO2@Fe3O4上，再与二价钯络合，制备了一种基于钯离子荧光探针的磁性可回收非均相钯催化剂Pd@FSM@Fe3O4。该催化剂为球形结构，整体粒径约360 nm，硅“壳”层厚度约20 nm，钯负载量为197.0 μmol/g。在此基础上，我们以Pd@FSM@Fe3O4为催化剂，系统开展了其在催化铃木偶联反应中的的应用条件及催化性能研究。结果表明，使用0.1 mol%Pd@FSM@ Fe3O4在空气氛围下反应30 min即可以高收率得到大部分反应产物，转化数(TON)最高可达990，转化频率(TOF)最高可达1980 h-1，表现出优良催化活性。该催化剂对卤代芳烃、苯硼酸及其衍生物、双卤代芳烃以及杂环底物都具有较好的适应性。通过Maitlis过滤实验、催化剂浓度-产率动力学实验及相轨迹实验对其催化机理进行探究，证实了Pd@FSM@ Fe3O4在筛选出的反应条件下是以非均相机理进行催化的。进一步研究结果表明，Pd@FSM@ Fe3O4可在空气中保存6个月后仍具有良好的催化活性，且可在外加磁场下进行回收，循环使用5次后没有明显活性损失；与均相钯催化剂相比，反应产物中钯含量低于1 ppm。最后，我们以Pd@FSM@Fe3O4为催化剂，将其应用于缬沙坦、索尼得吉、厄达替尼、微管蛋白抑制剂及鲁玛卡托5种原料药中间体合成。相比于已报道的合成路线，Pd@FSM@Fe3O4可在空气氛围和水作为溶剂的条件下进行催化反应，且产率更高，反应时间更短，催化剂用量更小。钯残留测试表明，在以Pd@FSM@Fe3O4为催化剂合成的原料药中间体中，钯残留均在1 ppm以下。因此，本项目所开发的Pd@FSM@Fe3O4非均相催化剂有望为构建原料药中间体提供一种绿色、高效、低残留的新途径，具有很好的实际应用前景。