催化学报 ›› 2024, Vol. 66: 146-151.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60125-7

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光子诱导Pd催化剂的再生用于胺羰基化合成脲

彭俊保a, 解进a, 李泽龙a,*(), 李灿a,b,*()   

  1. a兰州大学化学化工学院, 甘肃省先进催化重点实验室, 功能有机化学国家重点实验室, 甘肃兰州 730000
    b中国科学院大连化学物理研究所, 催化基础国家重点实验室, 大连洁净能源国家实验室, 辽宁大连 116023
  • 收稿日期:2024-07-18 接受日期:2024-08-26 出版日期:2024-11-18 发布日期:2024-11-10
  • 通讯作者: *电子信箱: Lizl@lzu.edu.cn (李泽龙),canli@dicp.ac.cn (李灿).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22072061);国家重点研发计划(2021YFA15011)

Photon-induced regeneration of Pd catalyst for carbonylation of amines to ureas

Junbao Penga, Jin Xiea, Zelong Lia,*(), Can Lia,b,*()   

  1. aKey Laboratory of Advanced Catalysis, Gansu Province, State Key Laboratory of Applied Organic Chemistry, College of Chemistry and Chemical Engineering, Lanzhou University, Lanzhou 730000, Gansu, China
    bState Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian 116023, Liaoning, China
  • Received:2024-07-18 Accepted:2024-08-26 Online:2024-11-18 Published:2024-11-10
  • Contact: *E-mail: Lizl@lzu.edu.cn (Z. Li),canli@dicp.ac.cn (C. Li).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22072061);National Key Research and Development Program of China(2021YFA15011)

摘要:

脲类化合物广泛存在于天然产物和合成化学品中, 可用于制造农药和医药化学品. 传统的脲合成方法主要依赖胺与光气或异氰酸酯的反应, 但这些试剂存在高毒性或腐蚀性问题, 因此亟需开发绿色环保的合成路线. 钯催化的胺氧化羰基化反应被认为是合成脲的有效方法, 但钯催化剂在反应过程中易于失活, 尤其在温和条件下生成的Pd(0)易聚集形成钯黑, 导致反应中止. 尽管引入电子转移介体(ETM)可以在一定程度上促进Pd(0)的再氧化, 但反应依然需要在高温或高压条件下进行. 因此, 开发温和条件下的催化体系是合成脲类化合物的一大挑战.

本文提出了一种光诱导胺羰基化反应, 通过光照诱导HI的再氧化, 以促进Pd(0)的再氧化为Pd(II)过程, 有效解决了Pd催化剂失活问题, 从而实现了在常温常压下高效催化各种胺的氧化羰基化, 合成多种对称及非对称脲类化合物. 在优化的反应条件下, 脂肪胺以及芳香胺都可以作为底物得到脲类目标产物, 转化率和选择性最高达到99%. 其中, 苄胺苯环取代基的给电子/吸电子效应以及位阻效应对反应活性基本没有影响, 而苯胺苯环取代基的电子效应对反应活性影响显著, 给电子取代基有利于提高反应活性. 除了合成对称脲, 该策略还可以用于非对称脲的合成, 收率最高达到98%. 此外, 该方法还可以实现克级规模的放大反应, 成功合成了一种广泛使用的抗丝虫药物乙胺嗪. 自由基捕获实验表明, 该过程中存在碘自由基和氢自由基. 通过紫外-可见光吸收光谱等方法, 结合控制实验, 研究了光照在反应机理中的作用, 结果显示在光照条件下, 碘化氢光解为碘自由基和氢自由基, 随后碘自由基自聚为碘单质, 并与Pd(0)物种反应生成活性物种PdI2, 从而实现了催化剂的再生, 而氢自由基则与O2反应生成H2O.

综上, 本文开发了一种温和条件下Pd(0)再氧化为Pd(II)的策略, 并成功应用于钯催化胺羰基化合成脲类化合物, 实现了多种对称和非对称脲的合成, 并为其他钯催化的氧化反应提供了潜在应用参考. 该光促Pd(0)再氧化策略也为绿色化学合成的进一步发展提供了新思路.

关键词: 光化学, 羰基化, 钯催化, 钯再生,

Abstract:

Substituted ureas hold considerable significance in both natural and synthetic chemicals. Pd-based homogenous catalyst has been used for the urea synthesis, however the aggregation of Pd(0) species leads to the deactivation of the catalyst even under mild conditions. Here, we present a photon-involved carbonylation of amines to synthesize ureas, achieving product yields of up to 99%, using Pd(OAc)2 and KI without losing the performance owing to the fast regeneration of Pd species under light irradiation. Reaction kinetics results and ultraviolet-visible absorption spectra indicate the regeneration of the Pd species is realized by the light irradiation (below 450 nm) which induces the oxidation reaction between HI and O2 to produce I2, so that the active species PdI2 is regenerated through the reaction between Pd(0) and the I2.

Key words: Photochemistry, Carbonylation, Pd catalysis, Pd regeneration, Urea