据统计，全球化工行业每年平均消耗2000万吨有机溶剂，其生产和纯化过程中会产生一系列环境问题。而以球磨法为代表的机械化学方法由于略去了有机溶剂的使用，因此能够最大程度地减少化学试剂对环境的影响，具有绿色、环保的优点。此外，球磨法能够缩短反应时间，提升反应收率甚至改变反应途径。受益于这些特点，球磨法已被用于有机分子、主族分子以及超分子的制备。但相对地，采用球磨法制备结构明确、组分单一的金属有机络合物的报道依然很少，而依此制备NHC-金属卡宾络合物的报道更少。NHC配体能够稳定高活性的过渡金属物种，因此NHC-金属催化剂在均相催化中具有举足轻重的地位。其中，NHC-铜催化剂能够催化包括羰基还原，还原型Aldol反应，胺化反应，三氟甲基化反应，卡宾转移在内的多种转化。开发NHC-铜催化剂的新型反应需要快速、大量地制备不同配体的催化剂，发展绿色、高效的催化剂制备方法无疑将极大地促进相关领域的研究。最近，比利时根特大学的Catherine S. J. Cazin教授发展了一种有氧、弱碱、无溶剂条件下以球磨法为手段制备NHC-铜催化剂的方法，该反应能够实现多样化结构催化剂的快速制备，且能够高收率地放大反应，为NHC-金属催化剂的制备提供了一种新颖方法。相关工作发表于Green Chem.（DOI: 10.1039/d0gc01923b）。在溶剂中制备NHC-铜催化剂的传统方法需要首先生成自由卡宾物种，该物种不仅对氧气、湿气以及热不稳定，还需要使用强碱以实现对卡宾前体的去质子化（Scheme 1a）。早在2010年，作者在金属盐中引入了碱性官能团，采用“嵌入式”方法制备了NHC-铜络合物，避免了自由卡宾物种的生成，该反应可以在有氧条件下进行（Scheme 1b）。2013年，作者进一步发现，在弱碱碳酸钾作用下，NHC前体与铜生成NHC-铜盐，该中间体可以方便地转化为NHC-铜络合物（Scheme 1c）。受此启发，作者认为该历程可以在无溶剂条件下实现，因此，作者采用球磨法对该方法进行了进一步研究（Scheme 1d）。
（图片来源：Green Chem.）
作者以1,3-双(2,6-二异丙基苯基)氯化咪唑鎓（IPr·HCl）作为配体对催化剂的制备进行了快速优化。作者发现，在1:1摩尔比的配体和铜盐反应时，加入过量的碱（3.0 equiv），高速研磨下，通过较长反应时间能够以较高收率得到所需的NHC-铜络合物。作者认为，该体系下反应物能够在较高均匀度环境下进行反应。此外，延长反应时间并不总是能提升反应效率，在一些反应中，反应物在球磨反应器中被碾压至紧实，此时反应到达临界点无法继续进行。尽管如此，该反应在小规模下（200 mg配体），氯化亚铜与NHC前体在10 min内转化为NHC-铜盐，此后经过3次30 min的研磨即可以较高收率得到目标NHC-铜络合物。相较于传统的溶液反应，球磨法所需时间更短。作者随后将该方法运用于不同NHC配体与氯化亚铜的反应中（Scheme 2），结果表明，该反应表现出与多种配体的优良反应性，不同的N-芳基和N-烷基取代基均能耐受该转化，且不同的NHC母核同样对该反应适用。值得注意的是，不同于传统的液相反应，该反应效率不受NHC上取代基空间位阻的制约。不同空间位阻的NHC均能快速地以良好的收率转化为NHC-铜络合物；而在溶液中，较大位阻的NHC往往需要更长的反应时间。
（图片来源：Green Chem.）
作者随后打算对反应规模进行扩大（Scheme 3）。在对IPr·CuCl进行制备时，作者将配体的规模由原先的200 mg扩大到5 g，而反应收率并未发生显著变化，这表明此反应可以以较大规模制备具有高实用性的铜催化剂。但值得注意的是，相较于小规模制备，该反应的反应时间极大缩短，在10 min内反应物能完全转化为目标产物。这可能是由于在密闭的球磨管中，大规模的反应需要加入较多研磨体，因此引发更多有效碰撞导致反应体系温度升高，继而使反应物活性升高，最终极大缩短反应时间。
（图片来源：Green Chem.）
比利时根特大学的Catherine S. J. Cazin教授采用无溶剂球磨法，在有氧弱碱条件下实现了NHC-铜络合物的快速合成，发展了一种高效制备此类催化剂的方法。该方法适用于不同取代基及母核的NHC配体，与传统的液相反应不同，该反应中NHC底物官能团的空间位阻对反应时间无明显影响。此外，在规模化制备中，该反应表现出更优异的反应活性和效率，因此具有潜在的应用价值，有望促进新型催化剂的开发和利用。
目前评论：0