摘要
通过Ullmann型交叉偶联反应形成C-N键和Sonogashira偶联反应形成C-C键的合成方法学广泛应用于合成生物分子、药物分子和材料化学领域等。因此对于这两类反应的研究一直是热门领域之一。其中，过渡金属（铜或钯）与配体构成的均相催化体系是应用最为广泛的，且取得了很好的效果。然而，均相催化体系不可避免的面临诸如催化剂不能有效地从反应介质中分离，在产物分离和纯化过程中难以除去金属残余物导致产物金属残留过量，催化剂不可重复使用等问题。金属有机骨架材料（Metal-OrganicFrameworks，MOFs）是一种高度结晶且结构相对稳定的复合材料，其包括有机桥联配体和具有明确界定的几何结构的金属中心，这些结构特征使其迅速成为一种优良的非均相催化剂，已在多个领域表现出良好的催化性能。但值得注意的是，目前对于铜基金属有机框架（Cu-MOF）及其衍生物在催化偶联反应中的研究还很有限。 基于此，本论文开展了基于Cu-MOF催化的UllmannC-N偶联和Sonogashira偶联反应，并将其建立的催化体系用于生物活性分子的合成。具体工作包括以下两个部分。 第一部分：以Cu-MOF-74作为催化剂前体，开发了一种有效的非均相铜基非晶MOF（amorphousMOF,aMOF）催化剂用于含氮杂环与芳基碘代物/溴代物的C-N交叉偶联反应。以对碘苯甲醚和咪唑的偶联为模型反应，进行条件优化，获得最佳反应条件：DMSO（1.0mL）、Cu-MOF-74（10mol%）、NaOH（2.0mmol）、120℃下反应24h，分离产率为90%。在此条件下，扩展了32种含有不同取代基的芳基碘代物/溴代物与含氮杂环/氨基苯酚的偶联产物，产率在10-95%之间。该方法还可成功应用于药物分子咪唑/苯并咪唑并喹唑啉酮（产率分别为83%和68%）和2-苯基苯并咪唑（74%）的合成。该非均相催化体系与文献报道的均相体系（CuI/L-histidine）相比，催化活性高于文献方法，偶联产物中铜残留量仅为13ppm，远低于均相体系下偶联产物中的金属残留（619ppm）。通过对反应前后催化剂的XRD、FT-IR、SEM、TEM的结构表征以及多种控制反应证实，晶型Cu-MOF-74可在强碱性和一定温度下原位形成aCu-MOF-74（起实际催化作用），这为aMOFs的制备提供了一种新的途径。且反应溶液中的Cu溢出量低于总铜量的0.55%，，循环使用6次后，催化剂的催化活性没有明显降低。 第二部分：以Cu-MOF-74作为前体，在三种不同温度(450℃，600℃，900℃)下直接碳化制备三种Cu/C多孔材料，Cu/C-450、Cu/C-600和Cu/C-900。通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等方式表征，结果显示材料中的金属铜包裹在碳骨架中形成具有针状晶体的核壳结构。XPS结果表明金属中心主要是零价Cu，这得益于其独特的核壳结构避免了其被进一步氧化成Cu2O和CuO。随后，我们将三种多孔材料用于催化芳基碘代物与芳族/脂肪族端炔或炔酸的Sonogashira偶联反应中。选择苯乙炔和对碘苯甲醚的偶联为模型反应，条件筛选结果显示，该偶联反应的最佳反应条件为：Cu/C-450（10mol%）、DMF（1.0mL）、K2CO3（1.0mmol）、120℃下反应12h，产率达到92%。在此条件下，合成了25种含有不同取代基的偶联产物，产率在60-96%之间。循环实验表明催化剂经过4次循环催化活性没有明显下降。 综上，本文制备了两种MOF衍生aMOF和Cu/C材料，并将其成功用于Ullmann型C-N偶联和Sonogashira偶联反应。该结果不仅拓展了MOF材料的应用范围，也发展和完善了构建C-N键和C-C键的合成方法。
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