在现代有机合成领域,很大一部分合成方法都涉及到气体。对于无毒和不易燃气体参与的反应,比如说CO2,操作相对简单,安全要求也相对较低。然而,对于CO、SO2和H2等气体反应,合成操作过程中需要特别注意。比如说,CO具有高毒性,使用过程以及尾气处理都要很注意。因而,化学家开发出许多CO替代物和CO即时生成反应体系,包括原位(in situ)和非原位(ex situ)生成体系。原位生成体系在成本和产生废物的方面存在缺陷,而非原位体系则存在着漏气和烧瓶的清洁与维护等问题。
来自德国莱布尼茨催化研究所(Leibniz-Institut für Katalyse)的Xiao-FengWu课题组在过去几年致力于CO化学的研究。他们工作的一部分重点在于开发羰基化过程中的CO替代试剂。最近,他们尝试使用甲酸及其衍生物,作为羰基化交叉偶联反应的CO源。使用酸酐或者DCC作为引发剂,甲酸可以被激发,释放出一分子CO。使用酸酐作为引发剂的时候,生成一分子CO的的同时会产生两当量酸副产物,因此反应体系中需要加入碱来中和酸;而使用DCC作为引发剂时,将生成1,3-二环己基脲副产物,导致目标产物纯度下降(图1)。以上这些问题都需要找到解决办法。
图1. 甲酸作为CO源的反应
来源:Org. Process Res. Dev.
鉴于甲酸具有无毒、易储存、便宜、副产物易分离等优势,作者倾向于使用甲酸作为CO源,并期望通过设计新反应器来解决副产物移除的问题。新反应器中需要含有一个独立的CO生成管,同时还有一个反应发生管,即两根反应管处于同一个环境中。考虑到以上需求,作者绘制了新反应器的图纸:中间有洞口的小管作为非原位(ex situ)CO生成反应管,生成的CO直接进入下方的反应管,参与羰基化反应(图2)。作者给新反应器取名为“in-ex管”。使用in-ex管时,副产物被排除在反应管之外,成功避免了产物分离难题和额外的浪费情况。
图2. 新反应器的设计理念
来源:Org. Process Res. Dev.
接下来是通过实验验证in-ex管是否实用。作者先以碘苯和苯胺为反应底物,三乙胺为碱,进行胺羰基化,所得酰胺产物的产率为55%(图3,eq 1)。碘苯和苯硼酸的羰基化Suzuki反应以及碘苯和苯乙炔的羰基化Sonogashira反应同样可以顺利进行(图3,eq 2 & 3)。
图3. 使用in-ex管操作的钯催化羰基化反应
来源:Org. Process Res. Dev.
此外,新反应器同样可以操作SO2和H2的反应(图4)。作者分别使用Na2SO3和 Zn在H2SO4的作用下生成SO2和H2,相关产率分别为58%和82%。
图4. 使用in-ex管操作的SO2和H2参与反应
来源:Org. Process Res. Dev.
总结:
Wu设计了应用于气体相关有机反应的新反应器,取名为in-ex管,并用它测试了CO,SO2和H2参与的反应。不经过任何条件优化,相关反应能够以中等至良好的产率得到相应产物。作者相信,新反应管可以让气体反应以一种更加高效且简单的方式进行。
原文链接:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.oprd.7b00332
作者简介:
https://www.catalysis.de/en/people/wu-xiao-feng/
Dr.Xiao-Feng Wu
来源:Leibniz-Institutfür Katalyse
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