Green Chem.:也许是最简单最绿色的NHC-铜催化剂的制备方法——弱碱有氧条件下的球磨法制备NHC-铜络合物

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据统计,全球化工行业每年平均消耗2000万吨有机溶剂,其生产和纯化过程中会产生一系列环境问题。而以球磨法为代表的机械化学方法由于略去了有机溶剂的使用,因此能够最大程度地减少化学试剂对环境的影响,具有绿色、环保的优点。此外,球磨法能够缩短反应时间,提升反应收率甚至改变反应途径。受益于这些特点,球磨法已被用于有机分子、主族分子以及超分子的制备。但相对地,采用球磨法制备结构明确、组分单一的金属有机络合物的报道依然很少,而依此制备NHC-金属卡宾络合物的报道更少。NHC配体能够稳定高活性的过渡金属物种,因此NHC-金属催化剂在均相催化中具有举足轻重的地位。其中,NHC-铜催化剂能够催化包括羰基还原,还原型Aldol反应,胺化反应,三氟甲基化反应,卡宾转移在内的多种转化。开发NHC-铜催化剂的新型反应需要快速、大量地制备不同配体的催化剂,发展绿色、高效的催化剂制备方法无疑将极大地促进相关领域的研究。最近,比利时根特大学的Catherine S. J. Cazin教授发展了一种有氧、弱碱、无溶剂条件下以球磨法为手段制备NHC-铜催化剂的方法,该反应能够实现多样化结构催化剂的快速制备,且能够高收率地放大反应,为NHC-金属催化剂的制备提供了一种新颖方法。相关工作发表于Green Chem.(DOI: 10.1039/d0gc01923b)。


在溶剂中制备NHC-铜催化剂的传统方法需要首先生成自由卡宾物种,该物种不仅对氧气、湿气以及热不稳定,还需要使用强碱以实现对卡宾前体的去质子化(Scheme 1a)。早在2010年,作者在金属盐中引入了碱性官能团,采用“嵌入式”方法制备了NHC-铜络合物,避免了自由卡宾物种的生成,该反应可以在有氧条件下进行(Scheme 1b)。2013年,作者进一步发现,在弱碱碳酸钾作用下,NHC前体与铜生成NHC-铜盐,该中间体可以方便地转化为NHC-铜络合物(Scheme 1c)。受此启发,作者认为该历程可以在无溶剂条件下实现,因此,作者采用球磨法对该方法进行了进一步研究(Scheme 1d)。


(图片来源:Green Chem.




作者以1,3-双(2,6-二异丙基苯基)氯化咪唑鎓(IPr·HCl)作为配体对催化剂的制备进行了快速优化。作者发现,在1:1摩尔比的配体和铜盐反应时,加入过量的碱(3.0 equiv),高速研磨下,通过较长反应时间能够以较高收率得到所需的NHC-铜络合物。作者认为,该体系下反应物能够在较高均匀度环境下进行反应。此外,延长反应时间并不总是能提升反应效率,在一些反应中,反应物在球磨反应器中被碾压至紧实,此时反应到达临界点无法继续进行。尽管如此,该反应在小规模下(200 mg配体),氯化亚铜与NHC前体在10 min内转化为NHC-铜盐,此后经过3次30 min的研磨即可以较高收率得到目标NHC-铜络合物。相较于传统的溶液反应,球磨法所需时间更短。作者随后将该方法运用于不同NHC配体与氯化亚铜的反应中(Scheme 2),结果表明,该反应表现出与多种配体的优良反应性,不同的N-芳基和N-烷基取代基均能耐受该转化,且不同的NHC母核同样对该反应适用。值得注意的是,不同于传统的液相反应,该反应效率不受NHC上取代基空间位阻的制约。不同空间位阻的NHC均能快速地以良好的收率转化为NHC-铜络合物;而在溶液中,较大位阻的NHC往往需要更长的反应时间。


(图片来源:Green Chem.


作者随后打算对反应规模进行扩大(Scheme 3)。在对IPr·CuCl进行制备时,作者将配体的规模由原先的200 mg扩大到5 g,而反应收率并未发生显著变化,这表明此反应可以以较大规模制备具有高实用性的铜催化剂。但值得注意的是,相较于小规模制备,该反应的反应时间极大缩短,在10 min内反应物能完全转化为目标产物。这可能是由于在密闭的球磨管中,大规模的反应需要加入较多研磨体,因此引发更多有效碰撞导致反应体系温度升高,继而使反应物活性升高,最终极大缩短反应时间。


(图片来源:Green Chem.


总结:
比利时根特大学的Catherine S. J. Cazin教授采用无溶剂球磨法,在有氧弱碱条件下实现了NHC-铜络合物的快速合成,发展了一种高效制备此类催化剂的方法。该方法适用于不同取代基及母核的NHC配体,与传统的液相反应不同,该反应中NHC底物官能团的空间位阻对反应时间无明显影响。此外,在规模化制备中,该反应表现出更优异的反应活性和效率,因此具有潜在的应用价值,有望促进新型催化剂的开发和利用。


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