一种钯负载型碳基催化剂的制备及其在Suzuki偶联反应中的应用

本发明涉及有机合成，具体而言，涉及一种钯负载型碳基催化剂的制备及其在suzuki偶联反应中的应用。

背景技术：

1、c-c偶联反应是有机合成化学中构建碳碳键最核心、应用最广泛的反应之一，其发展直接推动了医药、农药、高分子材料、精细化工中间体及电子信息材料等多个领域的技术进步。其中，suzuki-miyaura偶联反应（简称suzuki偶联反应）凭借反应条件温和、官能团耐受性极佳、副产物无毒且易分离、有机硼试剂稳定易得等显著优势，成为合成联苯类化合物的首选方法，广泛应用于沙坦类降压药、非甾体抗炎药、抗肿瘤药物及液晶材料的工业化生产。

2、目前，suzuki偶联反应的工业化生产仍以均相钯催化剂为主，如四(三苯基膦)钯、乙酸钯、二氯双(三苯基膦)钯等。这类均相催化剂虽然催化活性高、选择性好，但存在一系列难以克服的固有缺陷：一是催化剂与反应体系完全互溶，反应后需通过柱层析、重结晶等复杂工艺分离，且几乎无法重复使用，导致生产成本居高不下，贵金属钯的利用率极低；二是反应后钯金属易以络合物形式残留于产物中，对于医药、食品接触材料等对重金属含量要求严格的领域，需额外增加昂贵的钯去除工序，大幅增加了生产成本和环保压力；三是多数均相催化剂需要配合使用三苯基膦等有机膦配体，这类配体不仅价格昂贵、毒性大，且在空气中易氧化失活，增加了操作难度和环境风险；四是部分均相催化体系需要在甲苯、dmf等高沸点有毒有机溶剂中进行，三废处理成本高，不符合绿色化学的发展理念。

3、为解决均相钯催化剂的上述弊端，近二十年来，研究者们将研究重点转向多相钯催化剂的开发，通过将钯纳米颗粒负载于各类固体载体上，实现催化剂的易分离和可重复使用。目前已报道的载体材料主要包括碳基材料（氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭）、无机氧化物（二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈）、磁性纳米颗粒（四氧化三铁）、天然高分子（壳聚糖、纤维素）及有机多孔材料（共价有机框架cofs、金属有机框架mofs）等。虽然各类多相催化剂在一定程度上解决了分离回收问题，但仍存在诸多亟待解决的技术难题：

4、2019年，babak jaleh课题组采用液体激光烧蚀法制备了不锈钢网状-go@pd催化剂，该催化剂在90℃下反应1.5小时即可获得97%的联苯收率，且可循环使用5次。但该方法需要昂贵的激光烧蚀设备，设备投资成本高，且催化剂负载量难以精确控制，难以实现规模化生产；同时，催化剂用量高达70mg/mmol底物，远高于工业应用的经济阈值。同年，mohammad yousefi 课题组首次利用紫檀提取物还原并修饰氧化石墨烯，制备了pdnps/rgo催化剂，该催化剂在50℃水相中反应2小时即可获得 95% 的收率，且可循环使用8次。但该方法依赖于天然植物提取物，提取物的成分受产地、季节、提取工艺影响极大，导致催化剂批次稳定性差，无法满足工业化生产的一致性要求。

5、2020年，m.samy el-shall课题组开发了部分功能化还原氧化石墨烯负载钯催化剂，在微波辅助下80℃反应5分钟转化率即可达97.7%。但微波反应存在放大效应显著的问题，实验室小试的优异性能难以在工业釜式反应器中重现；且该催化剂钯负载量高达3wt%，贵金属用量大，成本高昂。同期，kootak hong 等人报道了一种壳聚糖包裹的fe3o4/sio2-nh2磁性纳米催化剂，该催化剂在室温下反应10分钟即可获得98%的收率，且可通过磁分离快速回收，重复使用10次后活性无明显下降。但该催化剂的制备过程极其繁琐，需经过共沉淀制备四氧化三铁、正硅酸乙酯包覆二氧化硅、硅烷偶联剂改性、邻苯二胺接枝、钯盐原位还原等5步反应，每一步都需要使用大量有机溶剂和化学试剂，原子利用率低，三废排放量大，违背了绿色化学的初衷。

6、2021年，sreenath reddy aabaka等人以原位生成的纳米纤维素为载体制备了pd@nc nps催化剂，该催化剂在水相室温下反应5小时即可获得99% 的收率，且可循环使用11次。但纳米纤维素的制备需要经过复杂的预处理和酶解/酸解过程，生产周期长，成本高；且纤维素基载体在水相反应中易溶胀，长期使用结构稳定性差。yuan li等人设计了具有蛋黄壳结构的(pd/c)@tppa cofs催化剂，利用cofs的限域效应抑制钯纳米颗粒的团聚，可循环使用5次。但共价有机框架cofs的合成需要高温高压条件，反应周期长达数天，且原料价格昂贵，目前仅能实现实验室克级制备，距离工业化应用尚有巨大差距。

7、2022年，mansour binandeh等人制备了包裹在氨基连接物上的磁性复合催化剂，该催化剂在70℃水相中反应30分钟即可获得98%的收率，且具有极高的tof值。但该研究仅验证了催化剂的单次活性，未开展循环稳定性实验；且磁性载体的制备过程复杂，表面氨基的接枝率难以控制，导致催化剂性能波动较大。

8、除上述具体技术缺陷外，现有多相钯催化剂还普遍存在以下共性问题：一是活性与稳定性难以兼顾，高活性的催化剂往往钯纳米颗粒粒径小、表面能高，易发生团聚和浸出，导致循环稳定性差；而稳定性好的催化剂通常钯与载体相互作用过强，降低了催化活性；二是底物普适性有限，多数催化剂仅对碘代芳烃表现出高活性，对溴代芳烃活性显著降低，对氯代芳烃几乎无活性，且对杂环底物和含敏感官能团的底物耐受性差；三是绿色性不足，多数催化体系仍需要使用有机溶剂或添加表面活性剂，部分催化剂制备过程中使用了水合肼、硼氢化钠等有毒还原剂，对环境不友好。

9、在碳基载体材料中，三聚氰胺作为一种廉价易得的富氮碳源，其分子中含有三个氨基和三个三嗪环氮原子，能为钯金属提供丰富的配位位点，有效锚定钯纳米颗粒，抑制其团聚。但三聚氰胺本身表面能低，比表面积小，且分子中不含亲水基团，亲水性极差，在水相反应中难以与底物充分接触，导致传质效率低，催化活性不佳。环糊精是一种由淀粉经酶解得到的天然大环化合物，具有“外腔亲水、内腔疏水”的独特桶状结构，其外腔的大量羟基不仅能赋予催化剂良好的亲水性，还能与钯金属形成配位键；同时，其疏水内腔可包合有机底物，起到相转移催化的作用。但单独使用环糊精作为载体时，其在煅烧过程中易发生热解和结构坍塌，无法有效稳定钯纳米颗粒，导致催化剂循环稳定性差，通常循环使用3次后活性即显著下降。

10、综上所述，现有技术中尚未有一种钯基多相催化剂能够同时满足制备工艺简单、成本低廉、催化活性高、稳定性好、底物普适性广、绿色环保且易于工业化放大的全部要求。因此，开发一种能够协同解决上述问题的新型钯负载型碳基催化剂，对于推动suzuki偶联反应的绿色工业化进程具有极其重要的理论意义和实际应用价值

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出了一种钯负载型碳基催化剂的制备及其在suzuki偶联反应中的应用，旨在解决当前技术中钯催化剂分离回收困难、钯残留污染严重，现有多相钯催化剂制备繁琐、成本高、活性与稳定性难以兼顾及工业化放大困难的问题。

2、本发明提出了一种钯负载型碳基催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、s1：将载体材料和氯化钯混合后进行研磨，得到混合物料；

4、s2：将混合物料升温后进行煅烧，煅烧完成得到钯负载型碳基催化剂。

5、优选的，所述载体材料和氯化钯的质量比为100:1。

6、优选的，所述载体材料中，β-环糊精（β-cd）的占比为20wt%~100wt%，三聚氰胺（mela）的占比为0~80wt%。

7、优选的，所述载体材料中，β-环糊精的占比为80wt%，三聚氰胺的占比为20wt%。

8、优选的，所述研磨在50hz的球磨机中进行。

9、优选的，所述升温的速率为4~6℃/min；所述煅烧在氩气保护的条件下进行，煅烧的温度为330~360℃，煅烧的时间为1~2h。

10、本发明的另一目的在于提供一种由所述钯负载型碳基催化剂的制备方法制备得到的钯负载型碳基催化剂。

11、本发明的再一目的在于提供一种所述的钯负载型碳基催化剂的制备及其在suzuki偶联反应中的应用，所述联苯类化合物合成的反应为：将式i所示卤代芳烃、式ii所示芳基硼酸类化合物、钯负载型碳基催化剂、溶剂、碱混合后进行suzuki偶联反应并得到式iii所示联苯类化合物的反应；

12、其中，所述联苯类化合物合成的反应方程式如下：

13、，

14、其中，r1包括芳基或取代芳基，所述取代芳基的取代基包括c1-c10烷基、c1-c10烷氧基、卤代c1-c10烷基、卤代c1-c10烷氧基、卤素、氰基、硝基、乙酰基、醛基、羧基、酯基或羟基；

15、x包括br或i；

16、r2包括氢、卤素、c1-c10烷基、c1-c10烷氧基、卤代c1-c10烷基、卤代c1-c10烷氧基；

17、式i所示卤代芳烃、式ii所示芳基硼酸类化合物、钯负载型碳基催化剂添加比为1mmol:1.5mmol:(5~10)mg；

18、式i所示卤代芳烃、溶剂和碱的添加比为1mmol:1~2ml:2mmol；

19、所述溶剂包括乙醇、水、乙醇和水的混合物，所述乙醇和水的混合物中，乙醇和水的体积比为1:1；

20、所述碱包括碳酸钾、碳酸钠、醋酸钾、醋酸钠、磷酸钾、磷酸钠、三乙胺、碳酸铯、氢氧化钠或氢氧化钾；

21、所述联苯类化合物合成的反应温度为80~100℃，反应的时间为3~24h。

22、优选的，r1为苯基、萘基或取代的苯基，所述取代的苯基的取代基包括c1-c4烷基、c1-c4烷氧基、卤代c1-c4烷基、卤素、乙酰基、醛基、羟基。

23、优选的，r2包括氢、卤素、c1-c4烷基、c1-c4烷氧基、卤代c1-c4烷基、卤代c1-c4烷氧基。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、1）本发明的钯负载型碳基催化剂采用固相研磨结合低温煅烧一步法制备，无需有机溶剂和有毒配体，仅需简单工艺即可完成。载体β-环糊精和三聚氰胺廉价易得，钯负载量远低于现有多数催化剂的负载量，生产成本低。

26、2）本发明实施例制备的β-cd@pd催化碘苯与苯硼酸偶联，收率高达98%；催化剂用量最低仅为5mg/mmol底物，90℃反应5h即可达到96%收率，远快于多数现有催化剂。

27、3）本发明的钯负载型碳基催化剂循环使用7次后，产物收率仍保持86%。循环实验表明，催化剂主体官能团结构稳定，仅少量表面钯流失，大幅降低工业应用中的催化剂消耗。

28、4）本发明的钯负载型碳基催化剂可催化碘代芳烃、溴代芳烃与多种取代芳基硼酸的偶联，涵盖烷基、烷氧基、卤素等多种官能团。且产物收率高，能够满足不同联苯类化合物的合成需求。

29、5）在20倍克级放大实验中，使用本发明的钯负载型碳基催化剂进行催化的反应收率仍达94%，与小试结果基本一致。本发明催化剂易通过简单过滤分离，无重金属残留，产物后处理简便，适合大规模工业化生产联苯类精细化学品。