当前位置:首页 >> 能源/化工 >>

钯催化反应及其机理


钯催化反应及其机理研究
摘要: 目前过渡金属催化的有机反应研究一直是一个比较热的话题, 其中由于钯催化的反应 活性和稳定性等原因,使其在有机反应中得到了广泛的使用,被全球广泛关注。本文主要列 举了钯催化的交叉偶联反应的机理, 及与偶联反应相关的钯催化的碳氢键活化反应、 钯催化 的脂肪醇的芳基化反应等的机理。

关键词:过渡金属催化 偶联反应

钯催化

机理

1.引言 进入二十一世纪以后,钯催化的偶联反应已经建立了比较完整的理论体系,研究的侧 重点也和以前有所不同化学键的断裂和形成是有机化学的核心问题之一。 在众多化学键的断 裂和形成方式中, 过渡金属催化的有机反应有着独特的优势: 这类反应通常具有温和的反应 条件,产率很高并有很好的选择性(包含立体、化学、区域选择性) 。很多常规方法根本无 法实现的化学反应,采用了过渡金属催化后可以很容易地得到实现。在众多过渡金属中,金 属钯是目前研究得最深入的一个。自上世纪七十年代以来,随着 Kumada,Heck,Suzuki, Negishi
[1]

等偶联反应的陆续发现,钯催化的有机反应发展十分迅速,时至今日,钯催化的

偶联反应作为形成碳-碳、碳-杂键最简洁有效的方法之一,已经得到了广泛应用。 2.钯催化各反应机理的研究

2.1.钯催化的交叉偶联反应 自上世纪七十年代以来,随着 Kumada,Heck,Suzuki,Negishi 等偶联反应的陆续发 现[1],钯催化的有机反应发展十分迅速,时至今日,钯催化的偶联反应作为形成碳-碳、碳杂键最简洁有效的方法之一,已经得到了广泛应用[2] 。交叉偶联,就是两个不同的有机分 子通过反应连在了一起 (英文中交叉偶联为 crosscoupling, 同种分子偶联为 homo coupling) 。

2.1.1Heck 反应

Heck 反应是不饱和卤代烃和烯烃在强碱和钯催化下生成取代烯烃的反应,是一类形 成与不饱和双键相连的新 C—C 键的重要反应 。 反应物主要为卤代芳烃(碘、溴)与含
[3]

有 α -吸电子基团的烯烃, 生成物为芳香代烯烃。 所用的不饱和卤化烃是一类芳基化合物。 亲电性不饱和碳(sp 或 sp 杂化)与亲核性碳、氮、氧、硫、硒原子经过某些过渡金属的 催化可以直接成键。 该反应的催化剂通常用 Pd(0) , Pd(II)或含 Pd 配合物,如氯化 钯、醋酸钯、三苯基膦钯等。载体主要有三苯基膦等,所用碱主要有三乙胺、碳酸钾、醋酸 钠等。 反应及其机理如下:
2

图1 其主要反应过程包括:1)卤代烃与 Pd(0)氧化加成,生成 C-Pd 中间体 RPdX;2) 烯烃与 Pd 配位 ,双键被活化 ;3)C=C 对 C-Pd 键的顺式共平面插入,形成一个新 的 C-Pd 键及 C-C 单键;4)中间体发生顺式脱氢,即生成取代烯烃,并产生 HPdX, 后者被碱还原为 Pd(0) ,从而推动催化过程继续进行。

2.1.2 Negishi 反应 Negishi 反应是指卤代芳烃和有机锌在 Pd 的催化下进行的反应。 用有机锌试剂和卤代 芳香烃的偶联来增长碳链。 反应中具有催化活性的是零价的金属 M,反应整体上经过了卤 代烃对金属的氧化加成、金属转移与还原消除这三步[4]。1)卤代烃与 Pd(0)氧化加成, 生成 RPdX;2)生成物与活化的有机锌试剂发生金属转移形成络合物;3)最后发生还原消 除反应生成产物 R-R' 。 卤素 X 可以是氯、溴、碘,也可以是其他基团,比如三氯甲磺 酰基或乙酰氧基,基团 R 可以是烯基、芳基、烯丙基、炔基或炔丙基,而 X' 同样可以 是氯、溴、碘,R' 则可以是烯基、芳基、烯丙基或烷基,催化剂 M 为钯,配体 L 可以 为三苯基膦或双(二苯基膦)丁烷。

图2 此反应有其特有的优点: 首先, 反应使用的锌试剂有非常多的官能团和衍生物可以选择, 甚至可以进行原位合成, 对于多种官能团的兼容性也很好, 适用于芳基锌也适合于较长链的 一级烷基锌。 另外,卤代烃也可以是一级卤代烷烃,较好的避免了 β -H 消除反应,并 且反应条件温和,选择性和产率都很好,有利于规模化生产。 2.1.3 Suzuki 反应 Suzuki [5]反应通常指的是卤代烃和有机硼试剂进行的交叉偶联反应,广泛应用于合成联 苯类化合物。 Suzuki 反应的催化循环过程为: 1) 卤代烃与 Pd ( 0) 氧化加成, 生成 Pd (Ⅱ) 络合物;2)生成物与碱反应生成 R[Pd]OH; 3)生成物与活化的硼酸发生金属转移, 生成 Pd(Ⅱ)络合物;4)最后进行还原消除生成产物和 Pd(0) 。

图3 Suzuki 反应对官能团的耐受性非常好,反应有选择性,不同卤素以及不同位置的相同 卤素进行反应的活性可能有差别,三氟甲磺酸酯、重氮盐、碘鎓盐或芳基锍盐和芳基硼酸也 可以进行反应。

2.2 钯催化的碳氢键活化反应研究

过渡金属催化的碳氢键活化反应己经成为构筑碳-碳键最为有效的手段之一,近年来 得到了广泛的关注和深入研究。尤其是导向基团辅助的碳氢键活化反应,由于其具有非常好 的区域选择性和较高的反应活性,一直是该领域研究的热点。对于其机理的研究也有着重要 的作用。 2.2.1 水相中钯催化银离子促进的伯胺导向的 C(sp2)-H 芳基化反应 文献[6-7]曾报道了钯催化未保护氨基导向的芳基碳氧键稀基化反应,反应也需要酸性体 系来调节反应的活性。但是,稀基化反应后又接着发生了一个氧胺化环化的反应,得到了一些 菲唆的产物,氨基并没有保持不变。我们知道氨基和银离子之前也是有很强的配位能力的,鉴 于此,我们推测我们也可以用银离子来调节未保护氛基同过渡金属之间的络合能力,这同质 子酸的作用类似,从而实现导向的碳氧活化反应。接下来,我们就报道一例在水相中银离子 促进的联苯-2-胺同芳基硼酸之间的直接偶联反应。反应后氨基是完全保留,未被转化的。 银离子在反应中除了起到氧化剂的作用外,还有另外两个作用,一是增加反应的活性,另外 一个是提高 C-C 键生成的化学选择性。我们还发现水对反应产率的提高也至关重要。下图 就是对其反应机理的研究:

图4 我们提出了该反应的可能机理(图 4)。首先,Pd(II)同联苯胺络合形成比较稳定的钯胺络合物 A。 然后有两条途径可以形成氧桥键的钯-胺络合物 B。 一条是在没有银盐的存在下,

胺络合物 A 缓慢释放出部分联苯胺,直接形成氧桥键的把-胺络合物 B,但是该过程是比较慢 的(图 4,Pathb)。从我们的实验结果看,在没有银盐的存在下,芳基化的反应速率和产率都是 很低的。 另一条是,在银离子的存在下,银铵络合物的形成会减少钯-胺络合物 A 的形成,同时 可以加速形成氧桥键的 IE-胺络合物 B(图 4, Path a)。钯-胺络合物 B 则是下一步亲电钯化 形成环把中间体 C 的前体。此外,在银盐的存在下,通过和胺的络合,可以减少氨基对钮中心 的供电子能力,增加钯离子的亲电能力,这也有利于环钯中问体 C 的形成。 因此我们发现在银 离子存在下,反应的速率和产率都有大幅度的提高。环钯中间体 C 形成后,在碱的帮助下,它 可以接着和芳基硼酸发生转金属化产生中间体 D。中间体 D 再发还原消除反应,生成芳基化 的产物,并 M 时生成零价钯。零价钯在银盐的作用下再生成二价钯开始新的催化循环。

2.2.2 钯催化的联芳基-2-胺 C(sp2)-H 羰基化反应:菲啶酮衍生物的合成

菲啶酮类化合物是一些具有药物活性和生理活性分子的重要骨架结构 ,例如,PJ34 就是 一种高选择性的 PARP-1 受体抑制剂[8].前面我们已经发展了一类伯胺导向的碳氧活化新方法, 因此我们进一步将该方法拓展到了碳氢键的羰基化反应中。 这里我们就报到了一例钯催化的 未取代氨基导向的联芳基-2-胺的直接羰基化反应,反应在常压的一氧化碳气体中,可以高效 地合成菲啶酮类衍生物。

图 5 反应机理

首先,吲哚 C3 亲电钯化,然后发生 1,2-钯迁移形成中间体 2。随后发生去质子芳构化得 到中间体 3,它和原位生成的活化硅试剂反应得到中间体 4。然后,4 发生还原消除反应得到 芳基化的产物,并生成 Pd(0)。Pd(0)可以被银盐氧化再生 Pd(II)从而完成催化循环。 3. Pd 催化的脂肪醇的芳基化反应 烷基芳基醚结构广泛存在于天然和人工药物中, Pd 催化的脂肪醇的芳基化反应是合成 这类化合物的重要方法之一, 运用于脂肪醇的 C?O 偶联反应的四大类配体, 对 C?O 偶联 反应的应用重点讨论 Pd 催化的芳基卤代物和脂肪醇的 C?O 偶联反应。 参考 C?C、 C?N 等偶联反应机理
[9-10]

, C?O 偶联反应也被认为是由三个基元反应组成.

由于 Pd?C(LUMO)和 Pd?O(HOMO)之间的能差较大, 所以相比于 Pd(0)对芳基卤代物的氧 化插入反应生成 C(Ar)?Pd(II)?X 和经转金属生成 C(Ar)?Pd(II)?OR 这前两步反应, 接下来 的还原消除生成 C?O 偶联产物则要困难的多. 因此, 相应的 C?O 偶联反应机理的研究难点 也主要集中在还原消除反应这一步。在 Hartwig 和 Buchwald
[11]

两个小组开展的有关 C?O

偶联反应机理研究的基础上, 参考其它相关偶联反应机理 , 目前普遍接受的 C?O 偶联反 应机理如下所示:

图 6 C?O 偶联反应机理 从下面描述的反应机理我们可以看出, 还原消除反应的快速发生, 可以有效抑制 β -H 消除反应、 卤代芳烃脱卤等副反应的发生, 从而提高偶联反应效率. 在以手性醇为偶联底物 时, 还可以抑制产物的消旋化。

4 钯催化反应中的 β-氢消除反应 在钯催化反应的β -氢消除反应中,钯催化的 Grignard 型反应和乙酰氧钯化—插入-质 解串联反应的机理被研究。通过碳—碳多重键插入到碳—过渡金属键而形成新的碳—碳键, 这在有机过渡金属化学中是一个非常重要的基元反应。因此我们研究了一类包含炔 烃乙酰氧钯化, 羰基或腈基插入碳—钯键和氧钯键质解这一系列串联反应在内的两价钯催 化的 Grignard 型反应(如图)
[12 ]

在这些反应中, 2.2'-联吡啶对稳定两价钯物种或者是抑制

β -H 消除(在醛的反应中)也是必不可少的。

图 7 二价钯催化的包含羰基或腈基插入碳—钯键的 Grignard 型反应

3.结论 本文的重点就是研究钯催化偶联反应的各个反应机理, 通过对机理的讨论, 我们对钯催 化的催化作用有了更加深刻的了解, 它在金属有机化学的理论以及合成应用方面都有较高的 价值。通过对反应机理的探索,我们对反应的本质有了新的认识,为以后设计新的反应,开 发新的催化体系以及优化合成方法都有很大的帮助。

参考文献

[1]颜美,冯秀娟[J] .有机化学,2010,30(5) :623-632 [2]陈新兵,安忠维[J] .应用化工,2000,29(3) :29 [3]王宗廷,张云山,王书超,夏道宏. [J] .有机化学,2007,27(2) :143~152 [4]李哲,傅尧,刘磊,郭庆祥[J] .有机化学, 2005 ,25 (12) :1508~1529 [5]Thirunavukkarasu, V. S.; Parthasarathy, K.; Cheng, C.-H?. Chem., Int. Ed. 2008, 47 (49), 9462-9465. [6]. Lazareva, A.; Daugulis, 0., Direct Org. Lett. 2006,8 (23),5211-5213. [7] Li, W.; Xu, Z.; Sun, P.; Jiang, X.; Fang, M., Org.Lett. 2011,13 (6), 1286-1289. [8]. Cai, G; Fu, Y.; Li, Y.; Wan, X.; Shi, Z,J., J. Am, Chem. Soc. 2007,129 (24),7666-7673. [9]. Sum, F.-W.; Dusza, J.; Santos, E. D.; Grosu, G.; Reich, M.; Du, X.; Albright, J. D.; Chan, P.;Coupet, J.; Ru, X.; Mazandaranib, H.; Saunders, T.,. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2003,13’ 2195-2198. [10] Torraca, K. E.; Kuwabe, S.-I.; Buchwald, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 12907. [11] Kuwabe, S.-i.; Torraca, K. E.; Buchwald, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 12202. [12] Vorogushin, A. V.; Huang, X.; Buchwald, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8146


相关文章:
钯催化的插羰反应-060410
插羰反应制备羧酸及其衍生物芳基和烯基卤化物在温和条件下的钯催化插羰反应是合成羰基化合物的非常有用 的合成方法。反应机理是芳基和烯基卤化物先和 Pd(0)发生...
钯催化交叉偶联反应
〃 4. “钯催化的交叉偶联反应”内容及反应原理(1)Heck 反应 Heck 反应以有机钯配合物为催化剂得到具有立体专一性的芳香代烯烃(图 1) 。 反应物主要是卤代...
有机合成钯催化在交叉偶联反应的研究进展
有机合成钯催化在交叉偶联反应的研究进展_能源/化工_工程科技_专业资料。有机...Heck 反应及其机理。Heck 反应与 Grignard 反应相比,具有更好的化学选择性 。...
有机合成钯催化交叉偶联反应
本文综合概 述了钯催化交叉偶联反应机理与发展,并对其应用领域及发展前景作简单介绍。 关键词:钯催化;交叉偶联反应;反应机理;碳碳键;有机合成; 引言:碳是构成...
钯催化下的交叉偶联反应
钯催化下的交叉偶联反应摘要:钯催化交叉偶联反应是一类用于碳碳键形成的重要化学反应, 在有机合成中应用十分 广泛。本文综合概述了钯催化交叉偶联反应原理和发展,...
实验室常用的几个反应机理(必需掌握)
另一种假说认为,在水溶液当中的偶联反应其实是通过自由基机理进行,而不 是金属-参与机理。 催化剂偶联反应中最常用的金属催化剂是钯催化剂,有时也使用镍与铜...
金属钯催化简单烯烃的官能团化反应研究
随后,通过同位素动力学 实验, Glorius 等人发现该反应 的同位素效应提出了相应的反应 图 1 Heck 反应 机理:首先烯胺底物 Pd(II) 催化剂发生亲电化生成烯基...
钯催化的插羰反应-060410
插羰反应制备羧酸及其衍生物芳基和烯基卤化物在温和条件下的钯催化插羰反应是合成羰基化合物的非常有用 的合成方法。反应机理是芳基和烯基卤化物先和 Pd(0)发生...
反应机理
反应机理_能源/化工_工程科技_专业资料。反应机理偶联反应反应机理通常起始于有...[5] [编辑] 催化剂偶联反应中最常用的金属催化剂是钯催化剂,有时也使用镍与...
过渡金属催化
化工材料工程学院 毕业论文开题报告钯催化 C-H 键、C-C 键活化反应的研究 ...经典 Heck 反应机理[7]涉及三个阶段(图 1-2),氧化加成反应,迁移插 入和...
更多相关标签: