一种电化学条件下实现芳基卤化物与芳基硼酸偶联反应的方法及应用

本发明涉及有机合成与电催化，具体涉及一种电化学条件下实现芳基卤化物与芳基硼酸偶联反应的方法及应用。

背景技术：

1、通过高效催化技术构建碳-碳键是有机合成与精细化学品生产中的重要研究方向。在众多碳-碳键构建反应中，过渡金属催化的交叉偶联反应因其反应效率高、选择性好以及底物适用范围广，已成为现代有机合成的重要策略之一。其中，suzuki-miyaura偶联反应是应用最为广泛的一类交叉偶联反应，该反应通过芳基卤化物与芳基硼酸之间的偶联反应构建新的芳基-芳基碳-碳键，从而实现联芳基结构的高效合成。该反应通常在钯催化剂存在下进行，通过pd(0)/pd(ii)催化循环完成反应过程，具体包括氧化加成、转金属化以及还原消除三个关键步骤。通过suzuki偶联反应构建的联芳基结构不仅能实现芳香环之间的有效连接，还能够调控分子构型和电子性质，从而在有机光电材料、高分子材料以及医药中间体合成等领域展现出重要应用价值。因此，开发高效、稳定且绿色的suzuki-miyaura偶联反应体系，对于促进复杂有机分子的构建以及推动绿色化学发展具有重要意义。

2、芳基卤化物与芳基硼酸在钯催化条件下能够发生suzuki-miyaura偶联反应，从而构建新的芳基-芳基碳-碳键。然而，在实际反应过程中，芳基卤化物的氧化加成步骤通常具有较高能垒，同时催化循环中pd(0)活性物种容易发生氧化或聚集形成钯黑，从而导致催化剂失活并降低反应效率。因此，实现对pd催化循环的有效调控并维持pd(0)活性物种的稳定存在，对于高效进行suzuki偶联反应具有重要意义。传统suzuki偶联反应主要依赖于有机溶剂体系以及在较高反应温度下进行，并常常需要加入碱性添加剂或额外的化学还原剂以维持催化循环，反应体系相对复杂，同时在一定程度上增加了环境负担。电化学有机合成技术通过外加电势调控反应过程，可在温和条件下实现电子转移反应，为芳基卤化物与芳基硼酸之间碳-碳键的构建提供了一种新的反应途径。然而，该技术的应用效果在很大程度上依赖于催化剂与电极界面的电子传输效率。目前，在电化学suzuki偶联反应研究中仍存在两个显著问题：第一，部分电化学偶联反应体系仍需要额外的化学还原剂或复杂电极材料才能维持催化循环；第二，部分电化学偶联反应体系存在催化剂稳定性不足或反应效率有限的问题，难以在较温和条件下实现高产率联芳基产物的合成。

3、公开号为cn107382734a的中国发明专利文献公开了二氯二氨合钯催化硝基氯苯的suzuki偶联反应，该发明在溶剂和碱存在条件下，以二氯二氨合钯为催化剂，使硝基氯苯与苯硼酸或二苯硼酸发生suzuki偶联反应，从而合成联芳基化合物。该方法主要在有机溶剂体系中进行反应，并依赖传统热催化条件维持催化循环，反应过程中仍需要碱性添加剂。

4、公开号为cn113546652a的中国发明专利文献公开了一种光催化suzuki偶联反应用催化剂及其制备方法，该催化剂包含硫化镉以及负载在硫化镉上的磷化钯，可在光催化条件下促进suzuki偶联反应的进行，从而实现芳基卤化物与有机硼试剂之间的碳-碳键构建。该技术通过光催化方式驱动催化反应，在一定程度上减少了传统热催化体系对高温条件的依赖。

5、综上，目前芳基卤化物与芳基硼酸之间的suzuki偶联反应主要依赖传统钯催化体系在有机溶剂条件下进行，而部分新型催化体系则通过光催化等方式促进偶联反应的进行，反应体系复杂苛刻，且在催化循环调控方面仍存在一定局限。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种电化学条件下实现芳基卤化物与芳基硼酸偶联反应的方法，以提高芳基卤化物与芳基硼酸之间碳-碳偶联反应的效率与选择性，为在温和条件下实现绿色高效的芳基-芳基碳-碳键构建提供了可靠的解决方案。

2、具体采用的技术方案如下：

3、一种电化学条件下实现芳基卤化物与芳基硼酸偶联反应的方法，包括以下步骤：

4、s1 制备阳极液和阴极液，阳极液为碱溶液，阴极液包含碱溶液、助溶剂和钯催化剂；

5、s2 将芳基卤化物底物和芳基硼酸底物加入至阴极液中，分散均匀，得到反应液；

6、s3 将反应液和阳极液分别转移至电化学反应装置的阴极室和阳极室中，阴极室和阳极室被阴离子交换膜隔开，在阴极室中放置工作电极和参比电极，在阳极室中放置对电极，形成三电极体系，在外加电势作用下进行电化学反应促进芳基卤化物与芳基硼酸生成联芳基产物。

7、本发明提供了电化学条件下利用钯催化剂催化suzuki偶联的反应体系，通过在电化学条件下驱动pd(ii)/pd(0)催化循环，使钯催化剂在电极界面持续再生活性pd(0)物种，从而促进芳基卤化物与芳基硼酸之间的交叉偶联反应。在未引入电化学驱动条件的对比体系中，反应过程中pd(0)活性物种易发生氧化或聚集失活，导致偶联反应效率较低，同时体系中容易产生脱卤、还原或副偶联等副反应，从而使目标联芳基产物选择性降低；而采用本发明的电化学反应体系，通过外加电势驱动pd(ii)在电极界面被还原为pd(0)，从而维持催化循环并显著提高反应效率，使芳基卤化物底物获得较高转化率，同时目标联芳基偶联产物的选择性与产率均明显提高。本发明通过在电化学体系中调控pd催化循环，实现了suzuki偶联反应的高效进行。

8、优选的，碱溶液为碳酸钾溶液，钯催化剂选用pd(pph3)4、pd(oac)2或pd/c，助溶剂选用甲醇。

9、优选的，阳极液或阴极液中，碳酸钾的浓度为0.3-0.6 mol/l，进一步优选为0.5mol/l。

10、在本发明的电化学suzuki偶联反应过程中，以钯催化剂作为反应活性中心，在外加电势作用下进行电化学反应，通过电极电子供给驱动pd(ii)向pd(0)转化，在电极界面完成pd(ii)/pd(0)催化循环；碱性电解质碳酸钾用于促进芳基硼酸与pd中间体之间的转金属化反应；电化学反应体系中的阴极提供电子驱动催化循环，而阳极通过氧化反应实现电荷平衡，从而完成整个电化学偶联反应过程。

11、进一步的，芳基卤化物包括但不限于溴苯、氯苯、碘苯、1,4-二碘苯、对溴氯苯、对碘溴苯等，芳基硼酸包括但不限于4-氟苯基硼酸、苯基三氟硼酸钾、1,4-苯二硼酸等。

12、优选的，芳基卤化物底物和芳基硼酸底物的摩尔比为1：1~2，芳基卤化物底物和钯催化剂的摩尔比为1：0.005~0.01。

13、进一步的，三电极体系中，以泡沫镍作为工作电极，hg/hgo为参比电极，铂网电极为对电极。

14、优选的，电化学反应过程中，反应电位为-0.9 ~ -1.2 v vs hg/hgo，反应时间为4-12 h，反应温度为30~50 ℃。

15、具体的，在电化学反应结束后，得到的反应液用二氯甲烷萃取，合并有机相，干燥，减压蒸馏除去溶剂，得到粗产物，经柱层析纯化，得到目标联芳基产物。

16、本发明提供的电化学条件下实现芳基卤化物与芳基硼酸偶联反应的方法，以4-氟苯基硼酸和溴苯偶联反应为例，其转化率可达96%以上，产率可达95%以上，表现出较高的反应选择性，得到的产物在检测范围内未观察到明显副产物。

17、本发明还提供了所述的电化学条件下实现芳基卤化物与芳基硼酸偶联反应的方法在有机合成领域中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、（1）本发明通过在电化学体系中引入钯催化剂并利用外加电势驱动pd(ii)/pd(0)催化循环，实现了芳基卤化物与芳基硼酸之间suzuki偶联反应的高效进行，在电化学条件下能够实现芳基-芳基碳-碳键的有效构建。在本发明相应反应条件下，芳基卤化物底物能够获得较高的转化率，反应体系中以目标联芳基化合物为主要生成物，产物分布相对集中，有利于后续分离与利用。与未采用电化学驱动的传统反应体系相比，本发明电化学反应体系通过电极电子供给维持pd(0)活性物种浓度，使反应过程更加可控，同时减少脱卤、还原等副反应的发生，从而显著提高目标联芳基产物的选择性与产率。此外，本发明采用电化学方式驱动反应过程，无需额外化学氧化剂或还原剂，体系组成相对简单，反应条件温和，对环境具有良好的适应性，能够实现绿色高效的suzuki偶联反应过程。

20、（2）本发明提供的电化学suzuki偶联反应体系具有良好的稳定性和可重复使用性能，在多次循环反应后仍能够保持较高的催化活性与产物选择性，从而在一定程度上降低反应成本。

21、（3）本发明方法对设备要求较低，操作简单，在温和电化学条件下实现了芳基卤化物与芳基硼酸之间的高效偶联反应，在获得较高底物转化率的同时，实现了对目标联芳基产物的高选择性生成，为构建绿色电化学交叉偶联反应体系提供了一种新的实现路径，本发明方法适用于实验室研究以及规模化生产，在有机合成及精细化学品制备领域具有良好的应用前景。