《小纳与大如的学习生活》钾铷铯

1、大创

　　项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）
　　目前大多数的化学工业过程中都是以挥发性有机化合物(VOCs)作为溶剂，全球每年的VOCs成本高达50亿欧元。此外，VOCs的使用存在巨大的安全和健康风险，需要采取多种安全和防护措施，因为大多数的有机溶剂是具有毒性、致癌性或者易燃易爆性。水是一种绿色、含量丰富且价格低廉的反应介质，如果能够用水来替代化学工业中广泛应用的VOCs，除了有可能极大的降低生产成本，同时也会明显地提高生产过程中的安全性。除此以外，水还具有其独特的化学反应性和选择性，其具有的溶解盐和极性化合物的能力以及高介电常数将为化学反应过程带来不同的可能。目前工业应用中以水作为反应溶剂比较成功的例子就是铑催化的Ruhrchemie/Rhne-Poulenc oxo process丙烯氢甲酰化工艺以及壳牌的SHOP（Shell Higher Olefins Process）高级烯烃合成工艺。这些万吨级的工业项目成功地实现了水作为反应介质，而其中很重要的原因就是开发出了低成本的高效水溶性均相催化剂，使得催化反应过程能够在水相中进行。值得一提的是，这些反应过程还利用了有机化合物与水不相溶的特点，进一步简化了产物分离的工艺，仅使用最简单的分液工艺即实现了产物与反应体系的分离，同时也为催化剂的循环使用创造了条件[1, 2]。
　　鉴于水作为溶剂具备多种优点，其使用符合发展绿色化学的原则，因此开发水溶性催化剂来实现水相中的催化合成反应成为了均相催化的一个重要研究方向。碳杂键(如C-N、C-O、C-S 键等)广泛存在于各种药物、农药、有机功能材料以及具有生物活性的天然产物等化合物中，是有机合成化学的重要研究内容[1-4]。其中过渡金属Pd和Cu催化的交叉偶联反应是目前构建碳杂键的主要方法，在精细有‘机化合物的合成中具有广泛的应用，但是该类型的反应主要还是在甲苯、二氧六环、二甲亚砜、氮氮二甲酰胺等高沸点有机溶剂当中进行，不但溶剂的成本较高，且部分高溶解性溶剂将使得产物的分离变得较为困难，剂也无法有效分离并进行循环使用。因此了进一步降低反应成本，提高催化剂的循环使用性和产物分离的便利性，开发相应的水溶性Pd和Cu催化剂来实现水相中的碳杂原子交叉偶联反应将具有很重要的研究和应用价值。项目研究目标及主要内容
　　对于水相中碳杂键交叉偶联反应，仍然存在的问题有：（a）催化剂的成本较高，尤其是大部分Pd催化剂都是基于水氧敏感且价格昂贵的膦配体；（b）反应条件不够温和，尤其Cu催化体系通常需要高于100℃的反应温度；（c）催化剂的稳定性和循环使用性仍处于较低水平。因此，本课题以开发基于非膦配体的水溶性Pd和Cu催化剂来实现水相中的高效碳杂键交叉偶联反应为主要研究目标，通过合理的配体设计提高催化剂的稳定性和活性，以期实现催化剂的循环使用（图1）:

　　图1. 水溶性Pd和Cu络合物催化剂催化的碳-杂键交叉偶联反应
　　(1)水溶性Pd和Cu催化剂的合成：首先合成一系列水溶性的卟啉、咪唑盐配体，通过调节不同的水溶性和位阻基团合成得到具有不同官能团的配体。随后将合成得到的配体与Pd或者Cu的金属盐前体进行配位反应得到相应的Pd或者Cu络合物，并对其进行核磁、红外以及质谱表征，同时测试其水溶性。
　　(2)水溶性Pd和Cu催化剂催化碳杂键交叉偶联反应测试：首先将以C-N交叉偶联反应作为研究对象，使用水作为溶剂，以溴苯和苯胺的交叉偶联反应为标准反应，对合成的多种水溶性Pd和Cu催化剂进行催化性能测试，筛选出较优的水溶性Pd或者Cu催化剂进行后续的催化反应条件优化。通过筛选不同的碱、添加剂、反应时间、反应温度以及催化剂的用量等多种因素最终获得最优反应条件。在最优反应条件的基础上，进一步开展催化剂的底物适用性研究，将针对多种类型底物例如氯代芳烃、含氮杂环化合物、脂肪胺、酰胺等化合物进行测试。此外，还将开展水溶性Pd和Cu催化剂在天然产物和药物分子合成中的实际应用，以及相应的放大合成实验。最后，还将进行催化剂的循环测试实验，以十个催化循环为基准来评价催化剂的循环使用性。
　　(3)碳杂键交叉偶联反应的机理探索：以C-N交叉偶联反应为模板，首要研究的研究对象是水溶性催化剂在反应中的活性中间体，主要将结合原位NMR或者在线红外来监测催化过程中催化剂的结构变化与反应动力学，尝试捕捉并分离反应的中间体，获得相应的核磁数据和晶体结构。除此之外还将进行相应的验证实验包括对照试验、热过滤实验、毒化实验等。在此基础上借助理论计算与模拟，催化C-N交叉偶联反应过程中反应的过渡态和能垒，加深对水相催化反应的机理的理解，考察水分子在反应中的潜在作用。
　　3、项目创新特色概述
　　（1）发展高稳定性、低成本的水溶性Pd和Cu催化剂，从而实现水作为反应溶剂，将有助于降低催化反应的成本，提高反应过程的安全性，有利于发展环保绿色的化学反应过程；
　　（2）碳杂键交叉偶联反应是有机合成中的重要工具，具有广阔的应用范围。使用可循环使用的水溶性催化剂来替代传统的均相催化剂来实现碳杂键交叉偶联反应将有利于进一步拓展该类反应的工业应用范围和规模。
　　4、项目研究技术路线
　　（1）水溶性Pd和Cu催化剂的制备与表征：
　　水溶性催化剂的制备与表征主要根据文献方法合成得到（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 270-289；Chem.Soc.Rev. 2008, 37, 639-647；Chem. Rev. 2009, 109, 643-710）；
　　（2）水溶性Pd和Cu催化剂在水相碳杂键交叉偶联反应中的性能测试：
　　使用基于有机合成方法学的考察方式来评价催化材料的性能，以C-N偶联反应作为初步的研究对象，以溴代芳烃与苯胺的交叉偶联作为模型反应，并根据反应结果 进一步拓展到氯代芳烃底物的反应测试，考察影响反应的多种因素如碱、反应温度、反应时间、催化剂当量、底物比例等，重点考察反应温度从25℃-100℃，并监测催化反应的动力学过程。通过筛选的水溶性Pd和Cu催化剂，将进一步拓展到其他类型的底物如含氮杂环化合物、酰胺、脂肪胺。而对于C-O键偶联反应，将采取上述类似的催化评价方法，重点考察酚和醇作为亲核试剂与溴代芳烃或者氯代芳烃的偶联反应。