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钯复合催化剂及其制备方法和应用

文献发布时间：2023-06-19 11:39:06

技术领域

本发明涉及化学催化技术领域，特别是涉及一种钯复合催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应是在环钯催化剂和碱存在下芳基卤代物和有机胺的交叉偶联反应，是合成芳胺化合物的重要方法。Buchwald–Hartwig 这一类型的反应最早是由乌克兰的 Lev M. Yagupolskii 等在 1986 年发现的。此后美国的 Buchwald 和Hartwig 两个团队又分别在 1994 年重新发现这个反应。其中，有机胺可为伯胺或仲胺，有机胺胺上的取代基可以为任何有机基团。

传统的Buchwald–Hartwig 碳氮偶联反应是在强碱下进行的，而一般采用的强碱为碳酸钾、碳酸铯、LiHMDS或NaOtBu。然而目前的芳胺的制备方法制得的芳胺产品中不仅有环钯催化剂的残留，还含有这些强碱中的碱金属的残留；故而大大降低了芳胺产品的品质。目前医药和电子行业对于高纯度材料提出了新要求，因此开发一种低金属残留且具有较高的催化效率的催化剂变得尤为重要。

发明内容

基于此，有必要提供一种在具有较低的金属残留的基础上，有效提高Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应的催化效率的钯复合催化剂及其制备方法和应用。

本发明是通过如下的技术方案来实现的：

本发明的一个方面，提供了一种钯复合催化剂，包括环钯催化剂和固体碱，所述环钯催化剂分散于所述固体碱的表面；所述固体碱为经氧化镁改性的金属氧化物；所述环钯催化剂的总量在所述环钯催化剂和固体碱两者总质量中的质量含量为0.1%~10%，所述氧化镁在所述氧化镁和所述金属氧化物两者总质量中的质量含量为10%~30%；

所述环钯催化剂的结构式如下：

在其中的一些实施例中，所述环钯催化剂的总量在所述环钯催化剂和固体碱两者总质量中的质量含量为0.5%~10%。

在其中的一些实施例中，所述氧化镁在所述氧化镁和所述金属氧化物两者总质量中的质量含量为15%~25%。

在其中的一些实施例中，所述金属氧化物为氧化铝、氧化硅、氧化钙和氧化锆中的至少一种。

本发明的另一个方面，提供了一种钯复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

按照上述任一项所述的钯复合催化剂中的环钯催化剂和固体碱的含量比提供原料；

将所述环钯催化剂和所述固体碱在溶剂中混合，蒸发除去溶剂，得到所述钯复合催化剂。

在其中的一些实施例中，所述蒸发除去溶剂的温度为40℃~50℃。

在其中的一些实施例中，所述溶剂为二氯甲烷。

本发明的另一个方面，提供了上述任一项所述的钯复合催化剂在Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应中的应用。

本发明的另一个方面，提供了一种芳胺的合成方法，包括如下步骤：

将芳基卤代物和有机胺进行Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应，制得芳胺；

其中，上述任一项所述的钯复合催化剂作为所述Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应的催化剂。

在其中的一些实施例中，在所述Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应结束之后，还包括如下步骤：加入还原剂继续反应。

在其中的一些实施例中，所述还原剂为有机醇，加入所述还原剂进行的反应为醇热还原反应；和/或

在所述加入还原剂继续反应的步骤之后，还包括如下步骤：

固液分离，回收催化剂并从滤液中得到芳胺。

在其中的一些实施例中，所述Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应的溶剂体系中还含有能够与钯配位的有机配体。

本发明通过大量研究发现，通过优选特定种类的固体碱即该经氧化镁改性的金属氧化物替代强碱，提供反应所需的固载化碱，同时将环钯催化剂分散于该固体碱的表面上。该钯复合催化剂用于Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应的催化时，固体碱提供碱性作为主要的反应位点，同时其上的环靶催化剂作为催化剂大大提高了催化效率；且由于使用固体碱替代强碱，避免了使用强碱导致的碱金属残留的问题，同时进一步控制钯复合催化剂中环钯催化剂的质量含量以及固体碱中氧化镁的质量含量，可在具有较低的金属残留基础上，有效提高Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应的催化效率。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明一实施方式提供了一种钯复合催化剂，包括环钯催化剂和固体碱，环钯催化剂分散于固体碱的表面；固体碱为经氧化镁改性的金属氧化物。

环钯催化剂的总量在环钯催化剂和固体碱两者总质量中的质量含量为0.1%~10%，氧化镁在氧化镁和金属氧化物两者总质量中的质量含量为10%~30%。

进一步地，环钯催化剂的结构式如下：

上述环钯催化剂的结构式中，iPr基团是异丙基的缩写，Cy是环己基的缩写。

传统的Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应是在环钯催化剂和强碱的存在下进行的，而其中一般采用的强碱为碳酸钾、碳酸铯、LiHMDS或NaOtBu。然而目前的芳胺的制备方法制得的芳胺产品中不仅有环钯催化剂的残留，还含有这些强碱中的碱金属的残留；故而大大降低了芳胺产品的品质。为了降低钯重金属的残留，本发明的技术人员试图将环钯催化剂负载化，从环钯催化剂的活性金属钯的负载角度出发，使活性金属钯与载体之间具有强作用力，使得反应过程中活性中心环钯催化剂不会与固相载体脱离，再与强碱共同的作用下进行Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应，从而使其从均相催化剂变为非均相催化剂，但是这种方法无法兼顾如何解决碱金属的残留的问题。

进一步地，本发明通过大量研究发现，通过优选特定种类的固体碱即该经氧化镁改性的金属氧化物替代强碱，提供反应所需的固载化碱，同时将环钯催化剂分散于该固体碱的表面上。该钯复合催化剂用于Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应的催化时，固体碱提供碱性作为主要的反应位点，同时其上的环靶催化剂作为催化剂大大提高了催化效率；且由于使用固体碱替代强碱，避免了使用强碱导致的碱金属残留的问题，同时进一步控制钯复合催化剂中环钯催化剂的质量含量以及固体碱中氧化镁的质量含量，可在具有较低的金属残留基础上，有效提高Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应的催化效率。

在其中的一些实施例中，分散于固体碱的表面的环钯催化剂中，至少一部分的环钯催化剂是负载于固体碱上。在其中的一些实施例中，金属氧化物为氧化铝、氧化硅、氧化钙和氧化锆中的至少一种。优选地，金属氧化物为氧化铝及氧化硅中的至少一种。可理解，金属氧化物为多孔结构。至少一部分的环钯催化剂是负载于固体碱的孔道结构内的。

在其中的一些实施例中，环钯催化剂的总量在环钯催化剂和固体碱两者总质量中的质量含量为0.5%~10%。进一步研究发现，在其他条件不变的情况下，环钯催化剂的总量在环钯催化剂和固体碱两者总质量中的质量含量在该范围内，其用于催化Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应的产率更高。

可理解，在一些具体示例中，环钯催化剂的总量在环钯催化剂和固体碱两者总质量中的质量含量可以为0.1%、0.2%、0.5%、1%、3%、5%、8%或者10%。

在其中的一些实施例中，氧化镁在氧化镁和金属氧化物两者总质量中的质量含量为15%~25%。进一步研究发现，在其他条件不变的情况下，氧化镁在氧化镁和金属氧化物两者总质量中的质量含量在该范围内，其用于催化Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应的产率更高。

可理解，在一些具体示例中，氧化镁在氧化镁和金属氧化物两者总质量中的质量含量可以为10%、12%、15%、18%、20%、22%、25%、28%或者30%。

本发明的另一实施方式提供了一种钯复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：

按照上述任一项的钯复合催化剂中的环钯催化剂和固体碱的含量比提供原料；

将环钯催化剂、固体碱在溶剂中混合，蒸发除去溶剂，得到钯复合催化剂。

可理解，上述制备方法采用的原料按照与钯复合催化剂中的环钯催化剂和固体碱的含量比配比提供。

上述制备方法将环钯催化剂、固体碱在溶剂中混合，其中环钯催化剂作为均相催化剂溶于溶剂中，随着溶剂的蒸发，均相催化剂在固体碱的表面析出，即得。

在其中的一些实施例中，溶剂为二氯甲烷。二氯甲烷是不可燃的、低沸点的溶剂，且二氯甲烷的溶解性能优异，是良溶剂。可理解，溶剂的加入量以能够溶解环钯催化剂作为参考即可。

在其中的一些实施例中，蒸发除去溶剂的温度为40℃~50℃。

在其中的一些实施例中，将环钯催化剂、固体碱在溶剂中混合的时间可为1小时至6小时；例如1小时、2小时、3小时、4小时、5小时或者6小时。进一步地，将环钯催化剂、固体碱在溶剂中混合的时间可为2小时至4小时。

本发明的另一实施方式提供了上述的钯复合催化剂在Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应中的应用。

本发明的另一实施方式提供了一种芳胺的合成方法，包括如下步骤：

将芳基卤代物和有机胺进行Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应，制得芳胺；

其中，如上述任一项的钯复合催化剂作为Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应的催化剂。

上述芳胺的合成方法，采用钯复合催化剂作为催化剂，该钯复合催化剂加入反应体系中，固体碱表面的环钯催化剂通常为二价Pd（II），在碱的作用下转化为0价钯，此时的Pd（0）为反应真正所需的催化剂，而此时反应体系中的固体碱为非均相的，因此在固体碱附近的活性催化剂的浓度远超整个体系的其他区域，因此也加快整个反应在钯复合催化剂上进行，此外部分溶于反应体系中的环钯催化剂，反应活性更高，进一步提高催化效率；且由于使用固体碱替代强碱，避免了使用强碱导致的碱金属残留的问题，同时进一步控制钯复合催化剂中环钯催化剂的质量含量以及固体碱中氧化镁的质量含量，可在具有较低的金属残留基础上，有效提高Buchwald-Hartwig 碳氮偶联反应的催化效率。

在其中的一些实施例中，在Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应结束之后，还包括如下步骤：加入还原剂继续反应。反应结束之后加入的还原剂在固体碱的共同作用下，由于还原反应主要发生在固体碱的表面，反应体系中的游离二价Pd（II）被还原至Pd（0）附着在固体碱表面，从而使得反应体系中的游离钯粒子能够附着在固体碱随固体碱与反应体系分离，进而进一步降低钯金属的残留，得到低钯残留或无钯残留的芳胺产品。

在其中的一些实施例中，还原剂为有机醇，加入还原剂进行的反应为醇热还原反应。

在其中的一些实施例中，在加入还原剂继续反应的步骤之后，还包括如下步骤：

固液分离，回收催化剂并从滤液中得到芳胺。

在其中的一些实施例中，Buchwald-Hartwig碳氮偶联反应的溶剂体系中还含有能够与钯配位的有机配体。该有机配体的加入，是为了与Pd（0）配位，使得Pd（0）稳定为配合物状态，以进一步提高Pd（0）的稳定性，进而进一步提高其反应活性，进而提高产率。

进一步地，有机配体包括但不限于X-phos，X-phos的中文名称为2-二环己基磷-2,4,6-三异丙基联苯。

可理解，有机胺可为伯胺或仲胺，例如苯胺；芳基卤代物可为氯苯等等。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非仅限于这些实施例。以下所描述的实施例仅为本发明较好的实施例，可用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

为了更好地说明本发明，下面结合实施例对本发明内容作进一步说明。以下为具体实施例。

各实施例和对比例所采用的环钯催化剂均为如下结构式的物质：

各实施例和对比例所采用的固体碱中的氧化镁改性氧化铝，以氧化镁的质量含量为15%为例，记为15%氧化镁改性氧化铝，其制备方法如下：

按照15%氧化镁改性氧化铝所需对应比例的氯化镁溶液和拟薄水铝石；

在氯化镁溶液中，加入拟薄水铝石和浓度为1wt%的液碱，使氯化镁全部生成氢氧化镁沉淀，搅拌4小时后过滤，500摄氏度下焙烧，得到氧化镁改性氧化铝。

其他质量含量的氧化镁改性氧化铝的制备方法类似，在此不再赘述。

其中，采用的氧化镁改性氧化硅、氧化镁改性氧化钙或氧化镁改性氧化锆，其制备方法与氧化镁改性氧化铝的制备方法类似，区别在于，分别采用氧化硅、氧化钙、氧化锆替换其中的拟薄水铝石。

实施例1

（1）钯复合催化剂的制备：

将1克环钯催化剂溶解在100克二氯甲烷中，加入199克15%氧化镁改性氧化铝搅拌4小时，40摄氏度下蒸干二氯甲烷，得到200克钯复合催化剂。

（2）钯复合催化剂的催化反应：

加入1克上述制得的钯复合催化剂，0.05mol的X-phos，0.5mol苯胺和0.5mol 氯苯，溶于10L二氧己烷中，升温至100℃，反应10分钟；在反应母液中加入甲醇，加热至60摄氏度，环钯催化剂在固体碱的表面被还原，固液分离，回收固体，并从滤液中得到二苯胺产品，反应产率为99%。使用HPLC对二苯胺产品进行检测，产品纯度98%。

实施例2

（1）钯复合催化剂的制备：

将1克环钯催化剂溶解在100克二氯甲烷中，加入199克25%氧化镁改性氧化硅搅拌4小时，40摄氏度下蒸干二氯甲烷，得到200克钯复合催化剂。

（2）钯复合催化剂的催化反应：

实施例3

（1）钯复合催化剂的制备：

将1克环钯催化剂溶解在100克二氯甲烷中，加入199克10%氧化镁改性氧化硅搅拌4小时，40摄氏度下蒸干二氯甲烷，得到200克钯复合催化剂。