发布时间：2021-10-09所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要壳聚糖是由甲壳素脱乙酰化而得，是一种丰富可再生的生物质资源.壳聚糖分子结构中含有大量的羟基、氨基，与金属纳米粒子或金属离子具有较强的鳌合能力，被广泛用作载体制备异相催化剂.近年来，壳聚糖负载铜催化剂被成功应用于各种不同类型的有机反应中，
摘要壳聚糖是由甲壳素脱乙酰化而得，是一种丰富可再生的生物质资源.壳聚糖分子结构中含有大量的羟基、氨基，与金属纳米粒子或金属离子具有较强的鳌合能力，被广泛用作载体制备异相催化剂.近年来，壳聚糖负载铜催化剂被成功应用于各种不同类型的有机反应中，不仅具有反应活性高、选择性好、易于分离回收等优点，而且能够多次循环再利用，在降低反应成本的同时，也提升了实际的工业应用价值.因此，本文从不同类型壳聚糖负载铜催化剂的制备出发，综述其催化的各种类型有机反应，主要涉及C-C键和C-X键的构建、点击化学及氧化还原反应等类型，促进今后壳聚糖及其衍生物负载催化剂更加广泛的应用.
关键词壳聚糖负载铜催化剂;有机反应;异相催化;绿色化学;循环再利用
随着能源和环境保护问题的日益突出，高效且可有效重复使用催化剂的制备及应用显得尤为重要.均相催化剂在反应过程中没有传质问题，催化效率高、选择性好、反应条件温和，但往往难以回收.利用载体负载金属纳米粒子或金属离子制备为催化剂，通过异相催化的方式催化反应，在保持高反应活性的同时，可实现催化剂的回收利用.
壳聚糖(Chitosan,CS)作为一种廉价低毒、来源广泛的天然高分子，具有优良的生物相容性和可降解性，近年来被广泛应用于医药、农业、日化等众多领域[1-8].壳聚糖分子结构中含有大量的羟基和氨基(图1)，能够通过多种化学反应修饰制备不同类型的壳聚糖衍生物，如羧甲基化[9]、磺化[10]、卤化[11]和酰胺化反应[12-14]等，尤其是可与醛反应生成席夫碱，增强其配位能力.壳聚糖及其衍生物能够有效络合各种类型的金属粒子(Au、Ag、Ru、Pd等)[15-24]，并作为催化剂应用于不同类型的有机反应中[25].与单一壳聚糖相比，修饰后的壳聚糖衍生物作为载体时，所得催化剂可能表现出不同的催化活性或选择性，从而进一步扩大了壳聚糖载体的应用范围.
目前，壳聚糖负载金属催化剂的制备方法主要有以下几种，例如利用壳聚糖直接吸附金属离子得到催化剂;或将各种醛类化合物与壳聚糖上的氨基进行缩合反应，得到含Schiff碱结构的壳聚糖配体，再与金属盐络合制备得到催化剂等.壳聚糖负载催化剂通常是以异相催化的形式参与有机反应，在反应结束后可简便从体系中分离，并且回收再利用，更加满足绿色化学的需求.该类催化剂具有制备方法简单、活性高、可循环使用、适用范围广、物理化学性质稳定、可在水相中高效反应等优点.
另一方面，与贵金属相比，铜具有来源广泛、价格低廉等优点，因此以壳聚糖为载体，负载金属铜粒子制备催化剂，不仅可有效抑制铜的流失，拓展催化反应的类型和适用范围，并且可实现催化剂的回收再利用.本论文针对近年来壳聚糖负载铜催化剂在不同类型有机反应中的应用进行综述，具体以C-C键、C-X键、点击反应、氧化还原反应为分类，从壳聚糖载体化学修饰和功能化设计、催化剂性能及回收利用等内容进行详细的归纳和总结.
1壳聚糖负载铜在构建C-C键中的应用
C-C键是构成有机化合物基本骨架的重要化学键，因此构建C-C键是有机合成中最核心的研究内容之一.过渡金属催化的有机反应是构建C-C键的重要工具，例如Grignard反应、Heck反应、Suzuki反应等.随着社会环境保护意识的增强，以绿色环保的方法构建C-C键逐渐引起化学家们的广泛关注[26,27].近年来，以壳聚糖负载铜作为催化剂，应用于各种类型C-C键构建被陆续报道.
2002年，夏春谷课题组[28]利用水杨醛衍生物对壳聚糖进行改性，以得到的壳聚糖-席夫碱配合物作为载体，吸附Cu(II)后，制备出催化剂C1-C4.红外光谱(IR)和X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明，铜离子成功与催化剂中席夫碱结构进行配位.作者比较了C1-C4在催化苯乙烯环丙烷化反应中的催化性能，发现四种催化剂均表现出较高的催化活性(89%-92%)，其中，C1产率最高(92%)，C3对映选择性最高(23%ee)，说明水杨醛苯环上的取代基对反应结果具有显著影响(Scheme1).与之相比，在相同条件下，利用未修饰的单一壳聚糖直接吸附Cu(II)作为催化剂时，该反应无法进行，说明席夫碱的结构修饰对于催化剂的活性起到关键作用，可显著增强壳聚糖载体与铜离子的络合作用.此外，该体系中催化剂可在反应结束后，通过简单的过滤操作实现回收利用，循环五次后依然保持较高的催化活性.在该反应中，重氮化合物起始原料首先与催化剂形成活性铜卡宾中间体，之后再与烯烃发生不对称环丙烷化反应，进而得到具有对映选择性的目标产物.
2013年，张先满课题组[29]开发了一种简单新颖的方法来制备多孔壳聚糖微球(PCMS)负载CuI催化剂(PCMS@CuI，C5)，可用于各种碘代芳烃的Heck交叉偶联反应(Scheme2).与已有文献报道的均相铜催化体系相比，该方法反应速率更快，底物范围更广，但是该反应需要在高温下进行，且需要额外添加KOAc作为碱.本工作中机理研究表明，PCMS@CuI催化剂中活性中心为Cu(I)，而非碘离子或多孔壳聚糖微球.催化剂中的多孔壳聚糖微球不仅是优良的负载基质，也是一种良好的配体，其结构中的官能团可有效螯合Cu(I).
2015年，徐建鸿课题组[30]采用简便的微流控方法，制备了一种具有优异机械性能和吸附性能的二氧化硅/壳聚糖杂化微球负载CuI催化剂.该催化剂具有独特的核-壳结构，在无溶剂的末端炔烃偶联反应中表现出优异的催化活性(产率>90%).与均相催化体系相比，该催化剂可有效降低传质阻力，从而显著提高催化活性.同时，二氧化硅/壳聚糖杂化微球可以吸附末端炔烃，进而促使催化剂周围的反应物浓度提高，加快催化反应速率.该催化剂在最优条件下(铜含量为2.2mol%)，室温时10分钟内即可完成反应，产率达到96%.该负载型催化剂稳定性好、催化性能高，可循环使用五次以上且不丧失催化活性，整个反应及回收过程绿色环保.
2016年，章鹏飞课题组[31]通过简单的吸附沉积制备得到壳聚糖负载铜异相催化剂CS@Cu(OAc)2(C6)，利用成本低、稳定性良好的Langlois试剂(CF3SO2Na)作为“CF3”源[32]，在温和条件下，成功实现了8-苯甲酰氨基喹啉衍生物的三氟甲基化反应(Scheme3)，通过选择性活化C-H键，获得相应的偶联产物，且转化效率高(62%-92%)，官能团耐受性好.该催化剂在保持良好收率的情况下，同时容易回收使用，为异相铜催化剂在选择性C-H键活化中的有效再利用研究提供了新途径.该反应在自由基抑制剂(TEMPO)存在的条件下被完全抑制，证实反应过程中有自由基的参与.根据对照实验的结果，作者提出可能的机理为：首先催化剂CS@Cu(OAc)2与喹啉衍生物形成络合物，三氟甲基自由基通过单电子转移的方式，进攻喹啉衍生物的5-位，Cu(II)被还原为Cu(I)，之后K2S2O8将Cu(I)氧化，经质子转移后生成最终目标产物，同时实现催化剂的再生.此外，通过类似的自由基光电催化过程，实现了喹噁啉与烯烃[33]和芳香胺[34]的C-C偶联反应，相较于金属催化过程中需要的高温条件[35]，该类方法在室温下即可完成高效的转化.
2016年，Dekamin课题组[36]采用壳聚糖溶液吸附CuSO4·5H2O得到催化剂C7，并应用于催化合成1,4-二氢吡啶(DHP)和多氢喹啉(PHQ)衍生物(Scheme4).作者通过电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)表征得到催化剂中铜离子含量为5.1mol%，并根据此测试结果，考察出最优催化剂用量为20mg.在此用量下，将该催化剂应用于醛、酯和醋酸胺的三组分反应中，实现了在低铜负载量下的一锅法转变，得到良好至优异的目标产物收率，且催化剂可有效重复使用.
2017年，Pathak课题组[37]利用壳聚糖和8-羟基喹啉-2-甲醛进行缩合反应得到壳聚糖-席夫碱配体，再吸附Cu(OAc)2·H2O后合成出一种新型的壳聚糖负载的席夫碱Cu(II)配合物(C8).作者利用IR，紫外-可见分光光度法(UV-Vis)，X-射线衍射(XRD)，XPS等多种测试手段对催化剂C8的席夫碱络合结构进行了表征，并且证明回收后催化剂结构依旧保持完整.该催化剂在末端炔烃的氧化偶联反应中表现出较高的催化活性(Scheme5)，产率中等到良好(63%-91%)，TON为118.另外，该小组评估了催化剂的重复使用性能，发现循环五次催化活性没有明显降低.
同年，Gil课题组[38]报道了两种络合Cu(OAc)2的吡啶改性壳聚糖衍生物催化剂的制备方法，作者首先将2-吡啶甲醛和6-甲基-2-吡啶甲醛分别成功接枝到壳聚糖骨架上，随后络合Cu(OAc)2得到催化剂C9和C10，如图Scheme6所示.为了研究C9和C10的催化性能，将其分别应用于苯甲醛转化为1-苯基-2-硝基乙醇的反应，产率分别为96%和95%，实现了壳聚糖负载铜催化的异相Henry反应(Scheme6).
2018年，Kumar课题组[39]制备了一种壳聚糖负载CuI催化剂CS@CuI(C11)，并采用扫描电子显微镜-元素分析仪(SEM-EDS)观察到铜离子均匀的分布在壳聚糖载体表面.作者将该催化剂在140℃、N2气氛及无溶剂的条件下，应用于醛、胺、炔的三组分偶联反应(A3偶联反应)，成功得到不同取代的丙炔胺化合物(Scheme7).底物拓展结果表明，该催化体系可适用于不同类型的环状仲胺，如吗啉、哌啶、N-甲基/苯基哌嗪等，而伯胺则无法反应.在最优化条件下，作者循环使用催化剂C11六次，该A3偶联反应均能得到优异的收率.此外，回收后的催化剂经电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测试，表明在反应前后催化剂中铜含量基本不变，反应过程中中无明显铜离子浸出.这一实验及表征结果证实了壳聚糖与金属离子的结合相对牢固，能最大程度地减少金属浸出，从而实现催化剂的有效回收利用.
2018年，曾敏峰课题组[40]在酸性介质中，将壳聚糖氨基质子化后形成阳离子大分子，再通过离子交换进行蒙脱土插层，最后将Pd0和Cu2+分别与-NH2和-OH络合，得到一种高效的异相蒙脱土/壳聚糖复合双金属催化剂(MMT/CS@Pd0/Cu2+,C12).该催化剂中的Pd0和Cu2+含量经ICP-AES测试分别为0.016mmol/g和0.014mmol/g.高分辨透射电镜(HR-TEM)表征证明，纳米离子Pd0/Cu2+成功固定在多孔复合材料的孔道结构中，且表现为均匀的颗粒状.将该催化剂应用于水/醚混合溶剂中催化Sonagashira偶联反应时，表现出优异的催化性能(Scheme8).但是，当催化剂循环使用至第六次时，产率下降至70%，其可能原因是由于在回收过程中，铜离子流失从而导致催化剂活性下降.
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从以上壳聚糖负载铜催化剂应用于C-C键构建的实例可知，壳聚糖及其衍生物通过简单负载铜即可得到具有高效催化活性的催化剂，在应用于各种C-C偶联反应中时，表现出高催化性能、易于回收等特性，所制备得到的催化剂均为异相催化剂，形貌多样，具有微球结构和孔状结构等.
2壳聚糖负载铜在构建C-X键中的应用
碳杂键是有机分子中常见的化学键，构建C-X键是十分重要的研究方向，迄今为止，许多药物多为杂环化合物，含N、O、S等杂原子.碳杂键通常是通过芳基卤化物和杂原子亲核试剂，在过渡金属催化剂的作用下发生偶联反应来制备，因此，壳聚糖负载铜催化剂在C-X键构建中的应用具有重要的理论和现实意义[41].
2.1C-N键的构建
2015年，Pramanik课题组[42]建立了一种简单易行的合成N-芳基脂肪族化合物的方法(Scheme9).作者利用壳聚糖吸附CuSO4制备出催化剂C13，并将其用于卤代芳烃和脂肪胺的反应中.实验结果表明，催化剂C13应用于该反应时，在较短时间内即可得到非常高的产率，同时简化了操作步骤.该催化剂经过简单过滤回收再利用，循环使用五次后，产率从94%下降到84%，反应性能有所下降.
2015年，Pathak课题组[43]报道了一种壳聚糖席夫碱配合物负载Cu(II)的合成方法，首先利用水杨醛修饰壳聚糖，再与邻羟基芳香亚胺、Cu(OAc)2在乙醇中回流12-15h得到壳聚糖-席夫碱配合物负载铜催化剂(C14-C16).将该催化剂应用于Chan-Lam偶联反应中(Scheme10)，催化剂C16效果最好，可能是由于硝基的吸电子效应，增强了配合物的路易斯酸性，从而提高了反应活性.该方法也可进一步拓展到各种不同类型芳香胺或脂肪胺与苯硼酸的反应，均取得不错的收率.反应完成后，通过过滤可以将催化剂有效分离，并且能够重复使用四次以上.——论文作者：张瑶瑶*,a周丽洁a,b韩彪a,b李维双a李博解*,a朱磊*,a,b,c
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