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

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。