連續式反應技術在鈀催化耦合反應上的應用

 

刊登日期:2021/1/5
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廖釗鋙、劉仕賢/工研院材化所
 
連續式合成具有混合快速、優異的熱傳導性與精準控制反應時間的特性,能用於各種化學反應中,如有機合成、奈米粒子合成、高分子合成等。鈀催化交叉耦合反應是工業上重要的有機合成反應,主要用來合成新的碳-碳鍵。本文將介紹利用連續合成進行芳香鹵化物金屬-鹵素交換的硼化反應、鈴木反應與連續硼化-鈴木反應的實際案例,以及使用不同的基材來製備連續式催化反應的觸媒及其效果。
 
【內文精選】
前 言
微型反應器(Microreactor)是指在微米級的流道中進行化學反應的裝置,由幫浦、管路、混合器、微流道反應器組成。其藉由幫浦供給反應物與試劑溶液到微流道中,反應物經混合後在微流道反應器內進行反應直到離開管道終止反應,滯留在管道內的時間為反應時間,即時的反應量只有微升(Microliter, μL)。反應由幫浦源源不絕地提供原料到管道內反應,使用者可以連續不間斷的取得產物,因此又稱為連續式反應器(Continuous Flow Reactor)。
 
市售的微型反應器通常整合為晶片樣式,在晶片中進行混合與化學/物理反應。因為玻璃具有優異的熱傳導性、透光性與強度,因此市售晶片反應器(圖一)多採用玻璃材質。微型反應器只需使用微量反應物與試劑便能測試多組實驗、篩選實驗參數,因此能縮短研發時程提升工作效率。
 
圖一、市售微流道反應器
圖一、市售微流道反應器
 
鈀催化交叉耦合反應
本文主要介紹連續式反應在鈀催化交叉耦合反應(Palladium Catalyzed Cross-Coupling Reactions)上的優勢,包括利用連續式合成耦合反應起始物,特別是利用鹵化物合成芳香族硼化物。使用非均相與均相觸媒的連續式鈴木反應以及將兩步驟連接的多步驟連續式反應。
 
自從1970年代鈀催化交叉耦合反應被發現以來,利用鈀進行催化的反應已被廣泛用在各式碳-碳鍵生成的有機合成反應,如:熊田反應(Kumada Reaction)、鈴木反應(Suzuki Reaction)、根岸反應(Negishi Reaction)、檜山反應(Hiyama Reaction)及史帝利反應(Stille Reaction),都是常使用的鈀催化交叉耦合反應。研究人員可以依照官能基容忍性、製備方式或成本,使用相對應的反應物來進行耦合反應。鈀催化獨特的反應性可以精準地選擇反應位置取得單一產物,特別適合用於複雜的大分子合成,其被廣泛的應用在工業上,並在2010年獲得諾貝爾化學獎的肯定,直至今日每年仍持續有許多新穎的碳-氮(C-N)、碳-氧(C-O)、碳-硫(C-S)鍵合成被報導。
 
交叉耦合反應中的鈴木反應是有機合成中常用來合成碳-碳鍵的方法,通常是利用芳香族鹵化物Ar-X(或烯烴鹵化物)與有機硼化物R-B(OH)2進行反應,利用零價的鈀金屬錯合物四(三苯基膦)鈀[Pd(PPh3)4]或二氯雙(三苯基膦)鈀[PdCl2(PPh3)2]進行催化反應形成新的鍵結。反應是經由氧化加成、金屬轉置與還原消去的循環組成(圖三),利用1 mol%(或更少)的鈀觸媒即可完成,可以用水作為溶劑以減少後處理問題,是科學上重要的有機合成反應。由於鈴木反應的反應條件…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖三、鈴木反應示意圖
圖三、鈴木反應示意圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》409期,更多資料請見下方附檔。

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