Name: 钯ñ - 杂环碳烯配合物:苯并咪唑盐的合成和碳 - 碳键合反应中的催化活性 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 19 min 58 s
Description: 学习钯氮杂环碳烯配合物的合成与纯化方法，以苯并咪唑盐为前体，并探索其在芳基化和Suzuki-Miyaura偶联反应中的催化活性。该方案为有机合成催化研究提供实用基础。

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感谢悉尼大学药学院、埃尔西耶斯大学研究基金和土耳其科学技术研究理事会（TUBITAK，项目编号：1059B141400496）提供的经费支持。感谢悉尼大学 Tim Harland 对视频的编辑工作。

注意：以下详述的实验方案中使用了多种挥发性溶剂，因此所有实验均应在正常工作的通风橱中进行。全程佩戴适当的个人防护装备，并在使用每种试剂前查阅其材料安全数据表（MSDS）；本文中已对危险试剂和步骤提供了简要说明。
1. 苯并咪唑鎓盐（化合物 1-4）的合成与纯化
<ol>
	<li>将一个100 mL的Schlenk管垂直夹紧，加入搅拌子、1 mmol苯并咪唑、1 mmol氢氧化钾以及60 mL乙醇作为溶剂。 
	注意：氢氧化钾可能有害。避免吸入其粉尘，并远离水。 
	注意：乙醇具有挥发性和易燃性。应远离明火或点火源。 
	备注：若无氢氧化钾，可使用氢氧化钠替代。在进行此项建议修改前，请查阅氢氧化钠的材料安全数据表（MSDS）。</li>
	<li>将Schlenk管置于油浴中，以便在后续搅拌过程中均匀且安全地加热反应混合物。将该管连接至冷凝管，以防止搅拌过程中溶剂蒸发。确保玻璃接口部件已充分涂抹润滑脂并紧密连接。</li>
	<li>在25 °C下搅拌反应混合物1小时，使所有固体完全溶解，并促使苯并咪唑分子中的氮-氢键断裂。 
	备注：本搅拌步骤中使用冷凝管并非必需，但由于下一步1.5中回流操作必须使用冷凝管，因此在此步骤中安装冷凝管并用于两个步骤会更为方便。否则，也可用涂有润滑脂的塞子密封Schlenk管来完成此步骤。</li>
	<li>1小时后，将Schlenk管从冷凝管上拆下，缓慢向混合物中加入1 mmol所选芳基卤化物。 
	注意：芳基卤化物具有刺激性且可能有害。操作前请查阅相关MSDS。</li>
	<li>重新将Schlenk管连接至冷凝管，在78 °C（接近乙醇沸点）下回流6小时，使反应完全。回流结束后，让混合物冷却至25 °C。</li>
	<li>将Schlenk管从冷凝管上拆下，用纸巾擦拭管口处的润滑脂。然后使用漏斗和滤纸过滤反应混合物，以去除反应过程中生成的氯化钾沉淀。将滤液收集至烧杯中。</li>
	<li>将含有N-烷基苯并咪唑产物的滤液转移至洁净的Schlenk管中。用涂有润滑脂的塞子密封该管，并通过真空除去滤液中的乙醇溶剂。 
	备注：对于本实验方案中所有涉及真空的操作，应使用中等强度的真空，并对连接真空的试管进行轻微且持续的振荡。</li>
	<li>待溶剂完全除去后，打开Schlenk管，加入5 mL乙醚以洗涤残留的N-烷基苯并咪唑产物。轻轻振荡试管以完成洗涤。
	<ol>
		<li>洗涤完成后，用纸巾擦拭管口处的润滑脂，将乙醚倾入烧杯中。重复此洗涤步骤数次，每次加入5 mL乙醚并倾出。 
		注意：乙醚具有挥发性和易燃性。应远离明火或点火源。 
		备注：在本实验方案的所有洗涤步骤中，若满足以下条件，可使用其他溶剂替代：1）不与被洗涤物质发生反应；2）不溶解被洗涤物质；3）易于挥发。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完成最后一次洗涤后，用涂有润滑脂的塞子密封Schlenk管，并通过真空干燥已洗涤的N-烷基苯并咪唑产物。干燥后，用纸巾擦拭管口处的润滑脂，然后将产物转移至小瓶中，供下一步反应使用。 
	备注：本实验方案可在此处暂停，并于之后继续进行。</li>
	<li>将一个洁净的Schlenk管垂直夹紧，并通过通入氩气排出管内空气。气体从管的侧臂通入，此过程中保持管口敞开。由于氩气密度大于空气，会自下而上充满试管从而排出空气。在下一步加入试剂时，需持续通入氩气以维持惰性气氛。</li>
	<li>缓慢向Schlenk管中加入搅拌子、1 mmol N-烷基苯并咪唑、1 mmol所选烷基卤化物以及4 mL无水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂。所有试剂加完后，迅速用涂有润滑脂的塞子密封管口，然后关闭侧臂的旋塞阀，并关闭氩气源。 
	注意：烷基卤化物具有刺激性且可能有害。操作前请查阅相关MSDS。 
	注意：DMF具有易燃性。应远离明火或点火源。</li>
	<li>将密封的Schlenk管放入油浴中，在80 °C下搅拌反应混合物24小时，使反应完全。 
	备注：该反应需在惰性气氛中进行，因此必须严格遵循上述使用氩气的吹扫步骤。</li>
	<li>24小时后，通过真空部分除去混合物中的DMF溶剂；抽真空约1–2分钟即可。 
	备注：如需要，可将油状混合物中的DMF完全除去，但并非必要。</li>
	<li>打开Schlenk管，加入15 mL乙醚。搅拌混合物直至苯并咪唑𬭩盐产物析出沉淀。 
	备注：若无乙醚，可使用石油醚替代。在进行此项建议修改前，请查阅石油醚的MSDS。</li>
	<li>沉淀形成后，使用适当的过滤方法除去乙醚。 
	备注：我们曾使用一种带有侧臂、内置滤片及两端开口的特殊玻璃管，可连接Schlenk管；由于该管的侧臂及所连Schlenk管的侧臂均可连接真空，因此该过滤管在以下操作中极为便利：1）沉淀步骤后的过滤及后续洗涤步骤；2）洗涤后的干燥步骤。
	<ol>
		<li>若使用类似装置，将装有混合物的Schlenk管连接至过滤管一端，空的Schlenk管连接至另一端。将空的Schlenk管连接至真空系统，然后小心且缓慢地翻转装置，使乙醚通过滤片进入该空管中。若无法获得此类装置，则可采用其他方法，如使用漏斗和滤纸进行过滤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用15 mL乙醚洗涤盐产物，并采用与步骤1.15相同的过滤方法除去乙醚。重复此洗涤步骤数次，每次使用15 mL乙醚并进行过滤。</li>
	<li>完成最后一次洗涤后，将已洗涤的盐产物干燥（此处指在过滤管内通过真空干燥），然后收集产物，通过重结晶进一步纯化。 
	备注：本实验方案可在此处暂停，并于之后继续进行。</li>
	<li>将盐产物与乙醇-乙醚混合溶剂（12 mL:4 mL）加入洁净的Schlenk管中。使用加热枪加热混合物，直至盐完全溶解。</li>
	<li>随后，用涂有润滑脂的塞子密封试管，并将其以近乎水平的位置夹紧。让盐在室温下静置重结晶。</li>
	<li>盐重结晶完成后，用纸巾擦拭管口处的润滑脂，然后使用漏斗和滤纸过滤混合物，分离出盐晶体。</li>
	<li>在漏斗中的滤纸上保留盐晶体的同时，用15 mL乙醚洗涤晶体。重复此洗涤步骤数次。</li>
	<li>完成最后一次洗涤后，让晶体在滤纸上空气中自然干燥。收集纯化后的盐产物，用于表征及钯-NHC配合物的合成。 
	备注：本实验方案可在此处暂停，并于之后继续进行。</li>
	<li>按照先前报道的方法对盐产物进行表征18。</li>
</ol>
2. 钯-NHC配合物（化合物5-8）的合成与纯化
<ol>
	<li>将一根75 mL的施伦克管垂直夹紧，并向其中加入一个搅拌子、1 mmol选定的苯并咪唑盐、1 mmol氯化钯、5 mmol作为碱的碳酸钾以及3 mL 3-氯吡啶。 
	注意：氯化钯有毒，可能引起刺激。 
	注意：碳酸钾可能有害。避免吸入其粉尘，并远离水。 
	注意：3-氯吡啶极具危害性，具有毒性和腐蚀性。避免皮肤接触及吸入其蒸气。</li>
	<li>用涂有润滑脂的塞子密封试管，并将其放入油浴中。在80 °C下搅拌反应混合物16小时，使钯NHC配合物的合成反应完全。</li>
	<li>16小时后，让混合物冷却至室温，打开试管。向混合物中加入10 mL二氯甲烷，以提高后续步骤2.4和&#160;2.5&#160;中所述过滤的效率；&#160;此步骤为可选，可根据需要跳过。 
	注意：二氯甲烷有毒、具刺激性，且为疑似致癌物。避免皮肤接触及吸入其蒸气。</li>
	<li>组装以下过滤装置，以从反应混合物中去除未反应的氯化钯和苯并咪唑盐：使用无活塞的玻璃过滤管。
	<ol>
		<li>首先，在管中加入四药匙的助滤剂（例如Celite），在位于管中部的滤片上方形成一层助滤剂层。然后，在助滤剂层上方再加入四药匙硅胶。最后，在硅胶层上方塞入一小团棉花，使助滤剂层和硅胶层固定在滤片与棉团之间。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过助滤剂和硅胶层对反应混合物进行过滤，操作如下：将装有反应混合物的施伦克管连接至玻璃过滤管，使施伦克管朝向过滤管末端带棉团的一端。然后，将一个空的施伦克管连接至过滤管的另一端。
	<ol>
		<li>将空的施伦克管连接至真空系统，小心并缓慢地翻转装置，使反应混合物依次通过棉花、硅胶、助滤剂和滤片层进行过滤。未反应的氯化钯和苯并咪唑盐将被截留在各层中，而含有钯NHC配合物的滤液则进入空的施伦克管。 
		注意：如果在反应混合物中加入了二氯甲烷（步骤2.3），其可能在过滤管内产生一定压力，在翻转装置时导致液体从装有反应混合物的施伦克管与过滤管的连接处渗出。为防止此情况，务必在翻转装置前先将空的施伦克管连接至真空系统（如上所述），这样在翻转时，反应混合物没有足够时间从上述连接处渗漏。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将含有滤液的施伦克管从上述过滤装置上拆下，并用涂有润滑脂的塞子密封。通过真空除去滤液中的溶剂。</li>
	<li>待所有溶剂完全除去后，打开施伦克管，加入5 mL乙醚以洗涤残留的钯NHC配合物产物。轻轻摇动试管进行洗涤。洗涤完成后，用纸巾擦去管口的润滑脂，将乙醚倾入烧杯中。重复此洗涤步骤数次，每次加入5 mL乙醚并倾出。</li>
	<li>完成最后一次洗涤后，用涂有润滑脂的塞子密封施伦克管，并通过真空干燥洗涤后的钯NHC配合物产物。干燥后，用纸巾擦去管口的润滑脂，收集产物用于进一步通过重结晶纯化。 
	注意：本实验方案可在此处暂停，待后续时间继续进行。</li>
	<li>进行重结晶时，为特定的钯NHC配合物选择合适的溶剂（即该配合物在室温下不易溶解，但在加热时可溶解的溶剂），并按照上述盐类的相同步骤（步骤1.18至1.22）操作。之后，收集纯化后的配合物用于表征。 
	注意：本实验方案可在此处暂停，待后续时间继续进行。</li>
	<li>按照先前报道的方法对配合物进行表征18。</li>
</ol>
3. 配合物（5-8）在芳基化反应中的催化活性
<ol>
	<li>所有催化反应均需在通风橱内的空气中进行。</li>
	<li>碳-碳键形成反应中使用的购买试剂无需进一步纯化即可直接使用。</li>
	<li>将一支25 mL的Schlenk管垂直固定于铁架台上，加入搅拌子、2 mmol的2-n-丁基噻吩或2-n-丁基呋喃，以及1 mmol选定的芳基溴化物。 
	注意： 2-n-丁基呋喃和2-n-丁基噻吩均具有急性毒性。避免皮肤接触及吸入其蒸气。</li>
	<li>随后向管中加入1 mmol乙酸钾、0.01 mmol选定的钯-NHC配合物，以及2 mL N,N-二甲基乙酰胺（DMA）。 
	注意： DMA具有毒性。避免皮肤接触及吸入其蒸气。</li>
	<li>用涂有润滑脂的塞子密封反应管，并将其置于油浴中。在不同时间和温度下搅拌反应混合物，以确定该反应获得最高产率所需的最佳时间和温度条件。 
	注意： 可通过薄层色谱法（TLC）监测反应进程；但如果仅比较不同反应条件（包括所用钯-NHC催化剂）对产率的影响，则无需将反应进行至完全。在此类情况下，可设定一个恒定的反应时间（短于完全反应所需时间），并改变待测试的反应条件。当反应进行至预定时间后，按下一步所述方法通过除去溶剂的方式终止反应。
	<ol>
		<li>若使用TLC监测反应进程，应将反应混合物在TLC板上的迁移情况与各反应物进行比较；若混合物中仍出现反应物对应的斑点，则表明反应尚未完成。为获取特定时间点的反应混合物样品，在反应仍在进行时打开Schlenk管，用毛细管迅速吸取一滴样品用于TLC检测。为使混合物和反应物在TLC板上有效展开，需根据具体情况选择合适的溶剂（流动相）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>当反应完成或已进行至所需时间后，通过减压除去反应混合物中的溶剂。</li>
	<li>打开Schlenk管，向其中加入正己烷-乙醚混合溶剂（10 mL : 2 mL）。该溶剂混合物将作为后续步骤3.8和3.9中快速柱色谱的流动相。剧烈振荡混合物，确保产物充分溶解于流动相中，避免其残留在反应管内。 
	注意： 正己烷具有挥发性和易燃性。避免吸入其蒸气，并远离明火或点火源。</li>
	<li>按以下步骤组装快速柱色谱柱以纯化产物：使用玻璃滴管。首先，将一小团棉花塞入滴管中，并推至玻璃腔体开始变细的位置，使其牢固就位。然后，在棉花上方加入硅胶，填充至滴管粗端约三分之二处。</li>
	<li>将硅胶柱垂直固定于铁架台上，使用玻璃滴管将反应混合物缓慢转移至柱顶。用流动相洗脱混合物，并将含有纯化产物的洗出液收集至洁净的烧杯或试管中。 
	注意： 此处可暂停实验流程，待后续时间继续操作。</li>
	<li>将洗出液转移至可连接真空系统的洁净试管中，用涂有润滑脂的塞子密封试管，并通过减压除去洗出液中的溶剂。 
	注意： 此处可暂停实验流程，待后续时间继续操作。</li>
	<li>待所有溶剂完全除去后，打开试管，加入1.5 mL二氯甲烷。轻轻振荡试管，使产物充分溶解，以便进行GC或GC/MS分析。使用GC或GC/MS19,20,21,22,23计算产率。 
	注意： 若无二氯甲烷，可使用氯仿替代。在采用此替代方案前，请查阅氯仿的安全数据说明书（MSDS）。</li>
</ol>
4. 配合物（5-8）在Suzuki-Miyaura偶联反应中的催化活性
<ol>
	<li>按照先前报道的实验方案进行所有催化反应18,24。</li>
	<li>将一个25 mL的Schlenk管垂直固定，并向其中加入搅拌子、1.5 mmol苯硼酸或所选的硼酸衍生物、1 mmol所选的芳基氯化物以及2 mmol作为碱的叔丁醇钠。 
	注意： 苯硼酸及其衍生物具有刺激性，可能有毒，避免与皮肤接触。操作前请查阅相关的材料安全数据表（MSDS）。 
	注意： 芳基氯化物有害，根据具体化合物的不同，可能具有毒性且易燃。操作前请查阅相关的材料安全数据表（MSDS）。 
	注意： 叔丁醇钠为易燃固体，遇水高度反应，其溶液具有腐蚀性。应远离明火或点火源，并避免与皮肤接触。 
	备注： 若无叔丁醇钠，可使用氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸钠、乙酸钾、乙酸钠或叔丁醇钾替代。在采用这些替代碱进行实验前，请查阅其材料安全数据表（MSDS）。</li>
	<li>向管中加入0.01 mmol所选的钯-NHC配合物。</li>
	<li>向管中加入DMF-水混合液（2 mL : 2 mL）。 
	备注： 如有必要，可使用更高比例的DMF与水混合液，或单独使用DMF。</li>
	<li>用涂有润滑脂的塞子密封试管，并将其放入油浴中。在不同时间和不同温度下搅拌反应混合物，以确定在给定反应中获得最高产物收率的时间和温度条件。 
	备注： 可通过薄层色谱（TLC）监测反应进程；但如果仅比较不同反应条件（包括所用的钯-NHC催化剂）对产率的影响，则无需将反应进行至完全。在此类情况下，可将反应在完成所需时间之前保持恒定时间运行，并改变待测试的反应条件。一旦反应达到预定时间，即停止反应并进入下一步。如需通过TLC监测反应进程，请参见步骤3.5.1中的相关说明。</li>
	<li>当反应完成或已运行至预定时间后，使混合物冷却至室温。打开Schlenk管，向反应混合物中加入正己烷-乙酸乙酯混合液（5 mL : 1 mL）。重新密封试管，并剧烈振荡数分钟，以促使合成产物转移至正己烷-乙酸乙酯相。 
	注意： 乙酸乙酯具有挥发性和易燃性，可能造成严重眼部损伤。避免吸入其蒸气，并远离明火或点火源。</li>
	<li>将Schlenk管垂直固定，静置数分钟，使混合物分层为两个清晰的液相。</li>
	<li>使用玻璃滴管小心吸取上层有机相，并将其转移至含有1 g无水硫酸镁的洁净烧杯中。硫酸镁粉末有助于去除提取的有机相中残留的水分。</li>
	<li>至少重复步骤4.6至4.8一次，以最大程度提取合成产物。</li>
	<li>按照步骤3.8和3.9，采用快速柱色谱法纯化产物。提取的有机相中的正己烷-乙酸乙酯混合液将作为该纯化步骤的流动相。将含有纯化产物的洗脱液收集至洁净的烧杯或试管中。 
	备注： 本实验方案可在此处暂停，并在之后继续进行。</li>
	<li>对产物进行分析，并使用气相色谱（GC）或气相色谱-质谱联用（GC/MS）19,20,21,22,23计算产率。</li>
</ol>

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<li>Karaca, E. O., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/om501201r">Palladium complexes with tetrahydropyrimidin-2-ylidene ligands: Catalytic activity for the direct arylation of furan, thiophene, and thiazole derivatives.</a> Organometallics. 34 (11), 2487-2493 (2015).</li>
<li>Ozdemir, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((N-Heterocyclic+carbene-palladium+catalysts+for+the+direct+arylation+of+pyrrole+derivatives+with+aryl+chlorides%5BTitle%5D)+AND+%22Beilstein+J.+Org.+Chem%22%5BJournal%5D)">N-Heterocyclic carbene-palladium catalysts for the direct arylation of pyrrole derivatives with aryl chlorides.</a> Beilstein J. Org. Chem. 9, 303-312 (2013).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文详细阐述了四种苯并咪唑盐及其随后的钯-NHC配合物的合成与纯化方案，旨在帮助年轻科研人员或刚进入该领域的研究者熟练掌握这些方法。出于同样的目的，还详细介绍了这四种配合物在芳基化反应和Suzuki-Miyaura反应中催化活性测试的操作步骤。此外，我们力求以尽可能通用的形式呈现这些实验方案，以便其他研究者能够轻松将其应用于更多其他新型钯-NHC配合物的合成、纯化及催化活性测试。
如有必要，本方案可进行某些修改。有关可能修改的建议已在方案部分的相关步骤中予以说明。其中一些建议涉及省略被特别标注为可选的某些步骤，另一些建议则涉及替换方案中某些步骤所使用的仪器或试剂。关于试剂的修改，原则上可以使用其他试剂替代方案中的部分试剂，但我们所提出的建议仅限于那些已通过实验验证或通过简要文献调研确认可行的实例。
关于所合成配合物的催化活性，其在芳基化反应催化中的价值可通过表1中的代表性结果看出。在2-n-丁基呋喃与4-溴苯乙酮的反应催化中，配合物6表现出良好的催化性能，而配合物7和8的催化效果尤为突出（表1，条目2-5）。...

N杂环卡宾（NHCs）因其能够催化多种重要反应而受到广泛关注，例如烯烃复分解反应、呋喃的合成、聚合反应、硅氢化反应、氢化反应、芳基化反应、Suzuki-Miyaura偶联反应以及Mizoroki-Heck偶联反应1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。NHCs可与金属结合形成金属-NHC配合物，这类配合物已被广泛用作过渡金属催化反应中的辅助配体和有机催化剂12,13,14,15,16。通常情况下，由于金属-碳配位键具有很高的解离能，这些配合物对空气、湿气和热表现出极强的稳定性17。
本文详细描述了先前报道的四种苯并咪唑盐（化合物1–4）及其钯-NHC配合物（分别为化合物5–8）的合成与纯化方案18。这些盐和配合物此前已通过多种技术手段进行了表征18。由于类似化合物已被用于芳基化反应及Suzuki-Miyaura偶联反应的催化9,10,11，本文也详细介绍了这些配合物在芳基化反应和Suzuki-Miyaura反应中催化活性的测试方案。重要的是，这些关于配合物的合成、纯化及催化活性测试的方案具有通用性，可方便地适用于新型钯-NHC配合物的研究。

<table><tbody><tr><td>1-氯-4-硝基苯</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,5-二甲氧基苯硼酸</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2-&lt;em&gt;n&lt;/em&gt;-丁基呋喃</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2-&lt;em&gt;n&lt;/em&gt;-丁基噻吩</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3-氯吡啶</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4-溴苯乙酮</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4-溴苯甲醚</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4-氯甲苯</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4-甲氧基-1-氯苯</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>4-叔丁基苯硼酸</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>苯并咪唑</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>溴苯</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>硅藻土</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>二氯甲烷</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>乙醚</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>乙酸乙酯</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>正己烷</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>硫酸镁</td><td>Scharlau (Barcelona, Spain)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;N,N&lt;/em&gt;-二甲基乙酰胺</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;em&gt;N&lt;/em&gt;,&lt;em&gt;N&lt;/em&gt;-二甲基甲酰胺</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氯化钯</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>苯硼酸</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>乙酸钾</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>碳酸钾</td><td>Scharlau (Barcelona, Spain)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氢氧化钾</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>硅胶</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>叔丁醇钠</td><td>Merck (Darmstadt, Germany)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>噻吩-2-硼酸</td><td>Sigma-Aldrich (Interlab A.S., USA)</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

钯的 n-杂环卡宾配合物：从苯并咪唑盐合成及其在碳-碳键形成反应中的催化活性

Palladium N-Heterocyclic Carbene Complexes: Synthesis from Benzimidazolium Salts and Catalytic Activity in Carbon-carbon Bond-forming Reactions

本文提供了由苯并咪唑鎓盐合成四种钯N-杂环卡宾配合物并进行后续纯化的详细且通用的实验方案。同时，还详细介绍了测试此类配合物在芳基化反应和Suzuki-Miyaura偶联反应中催化活性的通用方法。文中展示了这四种配合物在芳基化反应及Suzuki-Miyaura型反应中催化活性的代表性结果。在所研究的每种反应中，至少有一种配合物能够成功催化该反应，表明它们是多种碳-碳键形成反应中具有前景的候选催化剂。所提出的实验方案具有良好的通用性，可适用于新型钯N-杂环卡宾配合物的合成、纯化及其催化活性的测试。

苯并咪唑𬭩盐（1–4）（图1）在无水 DMF 中通过N-烷基苯并咪唑与各种烷基卤化物反应合成，随后按先前报道的方法进行纯化和表征18,24。这些盐为白色或乳白色固体，产率介于 62% 至 97% 之间。随后，钯-NHC 配合物（5–8）（图2）由上述盐制备，并同样依据已有文献方法进行纯化和表征18,24。这些配合物为黄色或乳黄色固体，产率低于前体盐，范围为 25% 至 60%。四种钯配合物被用于芳基化反应及 Suzuki-Miyaura 偶联反应中的催化活性测试。</p...

本文提供了从苯并咪唑𬭩盐合成四种钯N‑杂环卡宾配合物并随后进行纯化的详细且通用的实验方案。这些配合物在芳基化反应和Suzuki-Miyaura反应中被测试了催化活性。在所研究的每个反应中，这四种配合物中至少有一种能够成功催化该反应。

钯的 N-杂环卡宾配合物：从苯并咪唑盐合成及其在碳-碳键形成反应中的催化活性

详细且通用的方案展示了四种钯-N-杂环卡宾配合物的合成及其后续纯化方法，从……

本视频旨在向您展示苯并咪唑鎓盐及其钯-N-杂环卡宾配合物的合成与纯化过程的详细且通用的实验方案。视频还旨在介绍如何通过碳-碳键形成反应（如芳基化反应和Suzuki-Miyaura偶联反应）来系统测试所合成配合物的催化活性。观看本视频后，您应能够熟练掌握这些化合物的合成与纯化方法，并了解如何评估其在芳基化反应和Suzuki-Miyaura偶联反应中的催化性能。实验方案演示将首先介绍苯并咪唑盐的合成与纯化的一般方法，随后介绍钯氮杂环卡宾配合物的合成与纯化的一般方法。最后，将展示测试这些配合物在芳基化反应以及Suzuki-Miyaura反应中催化活性的一般方法。警告：本实验方案中使用了多种易挥发性溶剂，因此所有实验操作均应在通风良好的通风橱中进行。全程佩戴适当的个人防护装备，并在使用每种试剂前查阅其材料安全数据表（MSDS）。接下来将演示苯并咪唑𬭩盐的合成与纯化的一般方法。将一根100 mL的施伦克管垂直夹住，放入一个搅拌子、1毫摩尔的苯并咪唑、1毫摩尔的氢氧化钾，以及60 mL乙醇作为溶剂。将施伦克管置于油浴中，以便在后续搅拌过程中对反应混合物进行均匀且安全的加热。将该管连接至冷凝管，以防止搅拌过程中溶剂蒸发。确保玻璃接口部件充分涂抹润滑脂并紧密连接。将反应混合物在25摄氏度下搅拌一小时，以使所有固体完全溶解，并断裂苯并咪唑分子中的氮-氢键。一小时后，将施伦克管从冷凝管上取下，缓慢向混合物中加入1毫摩尔所选的芳基卤化物。将Schlenk管重新连接至冷凝管，将混合物在78摄氏度下回流六小时，以使反应完全。回流结束后，让混合物冷却至25摄氏度。将Schlenk管从冷凝管上拆下，并擦去管口的真空脂。然后使用漏斗和滤纸过滤反应混合物，以除去反应过程中生成的氯化钾沉淀。将滤液收集至烧杯中。将含有正烷基苯并咪唑鎓产物的滤液转移至一支洁净的施伦克管中。用涂有润滑脂的塞子密封试管，并在减压条件下除去滤液中的乙醇溶剂。待所有溶剂完全除去后，打开施兰克管，加入5 mL乙醚以洗涤残留的正烷基苯并咪唑产物。轻轻振荡试管以完成洗涤。洗涤完成后，擦去管口的油脂，将乙醚倾入烧杯中。重复此洗涤步骤数次，每次加入5 mL二乙醚并倾出。最后一次洗涤后，用涂有油脂的塞子密封Schlenk管，并在真空条件下干燥已洗涤的正烷基苯并咪唑产物。干燥后，擦去管口的油脂，然后将产物转移至小瓶中，用于下一步反应。用夹子固定一支干净的施伦克管，使其直立，并通过通入氩气排出管内空气。从管子的侧臂通入气体，此过程中保持管口敞开。氩气比空气重，因此会从下往上充满试管，从而排出空气。在下一步添加试剂时，需持续用氩气吹扫试管。此吹扫操作至关重要，因为接下来的反应必须在惰性气氛中进行。将一个搅拌子、1 毫摩尔的 n-烷基苯并咪唑、1 毫摩尔选定的卤代烷以及 4 毫升无水 DMF 溶剂缓慢加入 Schlenk 管中。待所有试剂加入后，迅速用涂有润滑脂的塞子密封管口，然后旋转活塞封闭侧臂，并关闭氩气。将密封的 Schlenk 管置于油浴中，在 80 °C 下搅拌反应混合物 24 小时，以确保反应完全进行。24 小时后，用真空条件除去混合物中的部分 DMF 溶剂。抽真空约一到两分钟即可。如果需要，可以将油脂状混合物中的全部 DMF 溶剂除去，但这不是必需的。打开舒伦克管，加入15毫升乙醚。搅拌混合物，直至苯并咪唑鎓盐产物析出。沉淀完成后，采用适当的过滤方法除去乙醚。我们使用了一种带有侧臂、内置滤膜和两个开口端的特殊玻璃管，其两端可连接施伦克管（Schlenk tube）。由于该玻璃管的侧臂以及施伦克管上的侧臂均可连接真空系统，因此在沉淀步骤之后的过滤、后续洗涤步骤以及洗涤后的干燥过程都变得极为便捷。如果您使用的是类似的装置，请将装有样品的施伦克管连接至过滤管的一端，空的施伦克管连接至另一端。然后将空的施伦克管连接至真空系统，并小心且缓慢地翻转装置，使乙醚通过滤膜进入该空的施伦克管中。然而，如果无法找到合适的管子，也可采用其他方法，例如使用漏斗和滤纸进行过滤。用15 mL乙醚洗涤所得的盐产物，并采用之前相同的过滤方法除去乙醚。用15毫升乙醚重复此洗涤步骤数次，每次均进行过滤。最后一次洗涤后，干燥已洗涤的盐产物。此处，我们已在过滤管中通过真空干燥。通过重结晶收集产物以进行进一步纯化。进行重结晶时，将你的盐和12毫升至4毫升的乙醇-乙醚混合溶剂加入一支洁净的施伦克管中。使用加热枪加热混合物，直至盐完全溶解。随后，用涂有润滑脂的塞子密封试管，并将其夹在近乎水平的位置。让盐在室温下重新结晶。待盐完全重结晶后，擦去试管口的润滑脂，然后使用漏斗和滤纸过滤混合物，以分离出盐的晶体。用15 mL乙醚在漏斗中的滤纸上冲洗盐晶体，冲洗时晶体仍保留在滤纸上。重复此洗涤步骤数次。最后一次洗涤后，让晶体在滤纸上空气中自然干燥。收集提纯后的盐用于表征及钯氮杂环卡宾配合物的合成。所合成的苯并咪唑鎓盐为白色或乳白色固体，产率介于62%至97%之间。接下来将演示钯氮杂环卡宾配合物的通用合成与纯化方法。将一根75密耳的舒伦克管垂直固定，加入搅拌子、1毫摩尔选定的苯并咪唑鎓盐、1毫摩尔氯化钯、5毫摩尔碳酸钾作为碱，以及3毫升3-氯吡啶。用涂有润滑脂的塞子密封试管，并将其放入油浴中。在80摄氏度下搅拌反应混合物16小时，以确保钯-N-杂环卡宾配合物的合成反应完全。16小时后，让混合物冷却至室温，然后打开试管。可向混合物中加入10 mL二氯甲烷以提高后续过滤步骤的效率，但此步骤为可选，可根据需要省略。使用无顶部的玻璃过滤管装配硅藻土和硅胶层，用于从反应混合物中去除未反应的氯化钯和苯并咪唑盐。首先，向管中加入四药匙硅藻土，在位于管中部的滤器上方形成一层硅藻土层。然后，在硅胶层上方加入四药匙硅胶。最后，在硅胶层上方塞入一小团棉花，使硅藻土层和硅胶层被固定在滤器与棉花团之间。为了将反应混合物通过硅藻土和硅胶垫进行过滤，首先将装有反应混合物的施伦克管连接到玻璃过滤管上，使施伦克管对准过滤管末端带有棉花团的一端。然后，将一个空的施伦克管连接到过滤管的另一端。将空的施伦克管接通真空系统，并小心而缓慢地翻转装置，使反应混合物依次通过棉层、硅胶、硅藻土和滤膜层进行过滤。未反应的氯化钯和苯并咪唑盐将被保留在各层中，而含有目标钯-N-杂环卡宾配合物的滤液则进入空的施伦克管中。如果向反应混合物中加入了二氯甲烷，可能会在过滤管内产生一定压力，当倒置装有反应混合物的施伦克管与过滤管的连接装置时，液体可能从连接处渗出。为防止此情况，如图所示，在倒置装置前，务必将空的施伦克管连接至真空系统，以便在倒置时，反应混合物没有足够时间从连接处渗漏。随后，将盛有滤液的施伦克管从上方过滤装置上拆下，并用涂有真空脂的塞子密封保存。在真空条件下除去滤液中的溶剂。待所有溶剂完全除去后，打开Schlenk管，加入5 mL乙醚以洗涤残留的钯-N-杂环卡宾配合物产物。轻轻振荡试管以完成洗涤。洗涤完成后，擦去管口的油脂，将乙醚倾入烧杯中。重复此洗涤步骤数次，每次加入5 mL二乙醚并倾出。最后一次洗涤后，用涂有油脂的塞子密封Schlenk管，并在真空条件下干燥已洗涤的钯-N-杂环卡宾配合物产物。干燥后，擦去管口的油脂，然后收集产物，通过重结晶进行进一步纯化。进行重结晶时，为您的特定钯-N-杂环卡宾配合物选择合适的溶剂，并按照之前盐类纯化所示的相同步骤操作。所选溶剂应在室温下不易溶解该配合物，但在加热时能够使其溶解。纯化后，收集目标配合物以进行表征。所合成的钯-N-杂环卡宾配合物为黄色或乳白色固体，产率低于其盐前体，范围为25%至60%。这四种钯配合物均被用于芳基化反应和Suzuki-Miyaura偶联反应中的催化活性测试。接下来将演示在芳基化反应中测试所合成配合物催化活性的通用方法。所有催化反应均在空气氛围下于通风橱中进行，所用购买的试剂无需进一步纯化。将一根25密耳的施伦克管垂直固定在铁架台上，加入搅拌子、2毫摩尔的2-正丁基噻吩或2-正丁基呋喃，以及1毫摩尔所选的芳基溴化物。然后向管中加入1毫摩尔乙酸钾、0.01毫摩尔所选的钯-N-杂环卡宾配合物，以及2毫升N,N-二甲基乙酰胺。用涂有润滑脂的塞子密封试管，并将其放入油浴中。在不同时间和不同温度下搅拌反应混合物，以确定该反应获得最高产物收率所需的时间和温度条件。当反应完成或已进行至所需时间后，通过减压除去反应混合物中的溶剂，必要时可加热以辅助溶剂去除。打开施伦克管，加入10毫升至2毫升的正己烷-二乙醚混合溶剂。该混合溶剂将作为接下来步骤中快速柱色谱的流动相。剧烈振荡混合物，以确保产物溶解在流动相中，不会残留在管内。使用玻璃滴管组装一个快速柱层析柱，用于纯化您的产物。首先，将一小团棉花插入滴管中，并将其推入至玻璃腔体开始变细的位置，确保棉花团稳固地卡在此处。然后，在棉花团上方加入硅胶，使滴管较粗部分的2/3体积被填满。将硅胶柱垂直固定，用玻璃滴管将反应混合物缓慢转移至柱中。用洗脱剂将混合物通过柱子洗脱，并用洁净的烧杯或试管收集含有纯化产物的洗脱液。将洗脱液转移至可连接真空装置的洁净离心管中，用涂有真空脂的塞子密封管口。在减压条件下除去洗脱液中的溶剂。待所有溶剂完全除去后，打开试管，加入1.5 mils二氯甲烷。轻轻振荡试管以溶解产物，以便进行气相色谱分析。展示了钯-N-杂环卡宾配合物对所研究的芳基化反应催化效果的代表性结果。以2-正丁基噻吩与4-溴苯乙酮之间的反应为例，说明在缺乏合适催化剂的情况下，芳基化反应所得结果较差。在2-正丁基呋喃与4-溴苯乙酮反应的催化中，配合物六是一个良好的候选催化剂，而配合物七和八表现尤为出色。配合物七在2-正丁基呋喃与溴苯的反应中表现出优异的催化效果。该反应中提高温度对产率的积极影响表明，若反应由合适的配合物催化，则通过调节温度等其他反应条件有助于最大化产率。在2-正丁基噻吩与溴苯的反应中，配合物八是一种优异的催化剂；而在2-正丁基噻吩与4-溴苯甲醚的反应中，配合物五则表现出良好的催化性能。总体而言，所研究的每一种芳基化反应均能被所合成的四种配合物中的至少一种有效催化。通过调整反应时间、温度等条件，有望进一步提高这些反应的产率。接下来，将演示所合成配合物在Suzuki-Miyaura偶联反应中催化活性的通用测试方法。将一根25密耳的施伦克管垂直夹紧，加入一个搅拌子、1.5毫摩尔的苯硼酸或您选择的硼酸衍生物、1毫摩尔选定的芳基氯化物，以及2毫摩尔作为碱的叔丁醇钠。然后加入0.01毫摩尔选定的钯-N-杂环卡宾配合物，以及2毫升DMF-水混合溶剂。用涂有润滑脂的塞子密封反应管，并将其放入油浴中。在不同时间与温度下搅拌反应混合物，以确定该反应获得最高产物收率所需的时间和温度条件。当反应完成或已进行至所需时间后，使混合物冷却至室温。打开Schlenk管，向反应混合物中加入五比一至一比一的正己烷-乙酸乙酯混合溶剂。重新密封试管，剧烈振荡新混合物几分钟，以使合成产物迁移至正己烷-乙酸乙酯相。将Schlenk试管垂直固定，静置数分钟，使混合物分层为两个清晰的相。使用玻璃滴管小心吸取上层有机相，并转移至一个洁净的烧杯中，烧杯内含有1克无水硫酸镁。硫酸镁粉末将有助于去除提取的有机相中的任何残留水分。重复整个提取过程至少一次，以最大限度地提取合成产物。按照之前的方法组装硅胶柱，通过快速柱色谱法纯化产物。这一次，提取的有机相中存在的己烷-乙酸乙酯混合物将作为流动相。用洁净的烧杯或试管收集含有纯化产物的洗脱液，然后使用气相色谱分析您的产物。这些配合物对所研究的硼酸衍生物与芳基氯化物之间Suzuki-Miyaura反应的催化效果各不相同。本研究旨在比较这四种配合物在催化这些反应中的性能。因此，对于所研究的每个反应，其他反应条件均保持不变：使用2毫升对2毫升的DMF-水混合物作为溶剂，以叔丁醇钠作为碱，反应持续两小时，反应温度保持在80摄氏度。在这些条件下，配合物五至七被证明是催化2,5-二甲氧基苯基硼酸与4-甲氧基-1-氯苯之间反应的良好候选者，而配合物八在此反应中催化效果不佳。在4-叔丁基苯基硼酸与4-氯甲苯的反应中，这四种配合物均表现出优异的催化性能。最后，在噻萘-2-硼酸与1-氯-4-硝基苯的反应中，配合物五和六催化效果不佳，而配合物七和八则显示出一定的应用前景。总体而言，所研究的每一种Suzuki-Miyaura反应均能被所合成的四种配合物中的至少一种有效催化。对于所选配合物在催化特定反应中表现良好的情况，可通过改变反应时间、温度、溶剂组成以及所用碱等反应条件，进一步开展工作以进一步提高转化率和产率。总之，本视频展示了苯并咪唑盐及其后续的钯氮杂环卡宾配合物的合成与纯化的详细且通用的实验方案。本视频还展示了在多种芳基化反应和Suzuki-Miyaura偶联反应中测试这些配合物催化活性的详细且通用的实验方案。掌握这些方案后，您将能够轻松地将其应用于其他多种钯-N-杂环卡宾配合物的合成、纯化及其催化活性的测试。

palladium-n-heterocyclic-carbene-complexes-synthesis-from

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科研

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Chemistry

化学

钯ñ - 杂环碳烯配合物:苯并咪唑盐的合成和碳 - 碳键合反应中的催化活性

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抗癌金属配合物：合成及通过 MTT 法评估细胞毒性

学习钯氮杂环碳烯配合物的合成与纯化方法，以苯并咪唑盐为前体，并探索其在芳基化和Suzuki-Miyaura偶联反应中的催化活性。该方案为有机合成催化研究提供实用基础。

钯的 N-杂环卡宾配合物：从苯并咪唑盐合成及其在碳-碳键形成反应中的催化活性

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