（有机化学专业论文）镍催化的有机硼酸与αβ不饱和羰基化合物的共轭加成反应研究.pdf

中文摘要 苯硼酸系列物对a 。b 一不饱和羰基化合物的共轭加成反应，作为构筑碳一碳 键的有效方法，近年来已成为研究热点。尤其对于金属r h 、p d 催化的该类反应 的研究得到了许多令人满意的成果。本文在此基础上，首次将金属镍催化剂应用 至此类反应并进行较为深入的研究。通过对催化剂、配体、辅助催化剂、温度和 溶剂等影响反应的条件进行大量而广泛的尝试，最终找到较为满意的催化体系并 对相应的反应条件进行了优化研究。 首次发现，由f e n i c l ：( p p h 。) ：组成的催化体系是该类反应的有效催化剂，并 提出n i ( i ) 催化该反应的机理。在以淞k 与苯硼酸为反应底物的研究中发现，一 定比例的f e 粉n i c l 。( p p h 。) ：p p h 。k i 组成的催化体系，在甲苯d m a c 混合溶剂中 加热至9 0 反应，以8 4 的良好收率得到产物4 一苯基- 2 - 丁酮。在该反应条件 下，本文还对反应底物进行了初步拓展，并且提出了反应的可能机理。 关键词：n i 催化苯硼酸系列物，b 一不饱和羰基化合物共轭加成 a b s t r a c t b e i n ga l le f f i c i e n tp r o t a c o lo f c cb o n df o r m a t i o n , t r a n s i t i o nm e t a l c a t l y z e d c o n j u g a t ea d d i t i o no fo r g a n o b o r o n i ea c i d st oq ，1 3 - u n s a t u r a t e dc a r b o n y lc o m p o u n d s h a sb e e n p a i dm u c ha t t e n t i o ni nt h ep a s tf e wy e a r s o nt h eb a s eo f w e l ls t u d i e dr h 、p d c a t a l y s t , an ic q m p l e xc a t a l y s ts y s t e m ei sd e v e l o p e di n t h i sp a p e rf o rt h ef i r s tt i m e a f t e ral a r g eq u a n t i t yo ft r i e so nt h ec a t a l y s t , l i g a n d , t e m p r e t u r e ，s o l v e n ta n dt h i n g s r e l a t e d , t h eb e s tc a t a l y s ts y s t e m ei sf o u n d f o rt h ef i r s tt i m e ，n i ( dg e n e r a t e df r o mf e - n i c h ( p p h 3 ) 2w a sf o u n dt ob ea b l et o c a t a l y z et h i sk i n do fr e a c t i o n w i t hm v k a n dp h e n y l b o r o n i ea c i da st h es u b s t r a t e s ， f a i d yg o o dy i e l do f4 - p h e n y l b u t a n 一2 一o n ec a nb es e p a r a t e di n8 4 a t9 0 。c w i t l lf e n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 p p h 3 k ia st h ec a t a l y s ti nt o l u e n e d m a c s o m ef u r t h e rr e s e a r c hh a s b e e nd o n et oe x p o u n dt h er a n g eo fs u b s t r a t e s t h ep r o b a b l em e c h a n i s mo ft h i s r e a c t i o na l s oi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：n i c a t a l y z e d ，p h e n y l b o r o n i ca c i d ，a ，1 3 - u n s a t u r a t e dc a r b o n y l ， c o n j u g a t ea d d i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：名两父 签字日期： c , 6 年z ，月坯日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 苍孙l导师签名：3 南磬2 韩 签字日期：口6 年1 月 ，日签字日期：d 易 年1 月语日 天津大学硕士学位论文 第一章前言 i i 金属有机化学简介 第一章前言 i i 1 金属有机化学的起源与研究进展 金属有机化学化学具有悠久的历史，可追溯到1 7 6 0 年，当时巴黎的一家军 用药房正在合成一种含砷药物，这里被称为金属有机化学的发源地。至1 8 2 7 年， 由丹麦的z e i s e 合成第一个烯烃金属络合物z v i s e 盐n a c 扎p t c i 。 ，标志着过渡 金属化学的开始【1 l 。自此之后，化学工作者相继研究了有机锌、有机镁和有机锂 等主族元素的化学，但并未引起广泛兴趣。直到1 9 5 1 年，由两组科学家分别独 立地发现二茂铁，次年g w i i k i n s o n 和r b w o o d w a r d 等人提出二茂铁“夹心面 包”的结构；1 9 5 3 年k z i e g e r 和g n a t t a 用有机锂和有机铝作为催化剂对丙烯 和丁二烯在温和条件下成功聚合，至此，使人们对化学键有了全新的认识，发现 周期表上所有元素( 甚至稀有气体) 无一不可与碳形成化合物或配合物。从此金 属有机化学发展成为一门独立的分支学科，成千上万的新型金属有机化合物在实 验室中合成成功，为数众多的金属有机催化有机合成反应不断出现，使金属有机 化学的发展呈现出一种前所未有的欣欣向荣的景象。自6 0 年代以来，先后已有 8 位从事金属有机化学研究的科学家获得了诺q 尔化学奖1 2 】。 5 0 多年来，金属有机化合物发展迅速，现在不仅作为化学领域的一个重要 物质，而且渗透到化学其他领域。例如，在催化化学上用作均相催化剂；在有机 化学中用作有机试剂；在生物化学中用作金属酶的模拟物；在高分子化学中，用 作聚合催化剂和高分子配合物；在物理化学中对新的键型及其物理性质等方面， 金属有机配合物都成为新的研究对象；在有机材料方面，作为功能性材料，其应 用范围也在不断扩大。不少金属元素在生命过程中起着重要的作用，而许多金属 有机化合物本身就是有效的抗癌药物、杀菌剂和抗生素，所以金属有机化学的发 展对于深入了解生命现象的化学本质有着重要意义【2 j 。 由此可见，金属有机化学是由多学科交叉渗透而发展起来的一门分支学科， 它的繁荣发展必然会有力推动相关学科的发展。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 2 金属有机与催化 催化是化学工业的基础。现代化学工业中，有百分之八十以上的化工过程是 催化反应，其中相当一部分是金属有机催化的反应，因此，它有力地推动有机合 成和基础有机工业的发展。 金属有机化学与催化科学紧密相关，它的发展不仅提供了一系列高活性和高 选择性的新型催化剂，而且为在分子水平上研究现代催化理论提供了科学依据。 金属有机化合物多种多样的结构类型，在键型、键长、键角和空间相对位置与排 列对化学活性与化学选择性的影响等方面规律性结果，为结构化学的发展提供了 丰富的信息。含有金属原子的聚合物已成了金属有机化学的重要组成部分，它们 不仅可以用作高分子催化剂，还可以成为具有多种特殊性能的功能高分子材料。 新型金属有机催化剂或试剂提供了众多的高活性和高选择性的有机合成方法，使 有机合成技术提高到崭新的水平。 基础化学工业中的碳一化学的研究，即将c o 、c 0 2 、c 1 4 4 的小分子在一定 条件，在过渡金属化合物催化下，通过插入、氧化加成、还原消除等一系列纪元 反应，实现定向催化转化为目标分子。 生活中所用到染料、医药、农药、香料、表面活性剂等化学品常具有复杂的 化学结构，甚至多个手性中心，这就需要有高选择性的合成技术。同时，现代有 机合成也正向高选择性( 包括化学选择性、区域选择性、立体选择性和对映选择 性) 、催化、高产率、温和简便、原料易得，不产生或少产生废料的方向发展。 要实现上述要求，金属有机化学是最有希望的途径。因此，近年来以合成化学为 目标的金属有机化学，简称o m c o s 化学( o r g a n o m e t a l l i cc h e m i s t r yd i r e c t e dt o o r g a n i cs y n t h e s i s ) ，发展得十分迅速。其核心研究内容就是以金属有机催化为基 础的精细有机合成方法学的研究。其中，不对称催化有机合成是近年来发展较快 的研究领域，而不对称均相催化氢化又是最成功的例子。带有b i n a p 配体或其 他手性双膦配体的过渡金属络合物往往可以在温和的条件下使c = c 或c = o 不饱 和键高效和高选择性地氢化，e e 值常可达9 5 以上，成为合成光活性氨基酸和 某些重要医药中间体的理想途径。s h a r p l e s s 发现的烯丙醇衍生物的催化环氧化， 经过众多化学家的共同努力，e e 值一般可以达到9 0 以上，反应时间大大缩短， 反应条件温和简便。这个方法在人工合成天然产物中发挥了很大的作用。此外， 在手性催化剂作用下，许多重要的有机反应，例如，羰基化合物的还原与分子内 环化、醛的烷基化、环丙烷化、d i e l s a l d e r 反应、a l d o l 反应、m i c h a e l 反应、 e n e 反应等等，均可得到9 0 以上的光学纯度。 在催化不对称和成之外，金属有机催化反应在其高选择性精细有机合成反应 天津大学硕士学位论文第一章前言 中也有一定的作用。比如，弘烯丙基过渡金属络合物用于烯丙基烷基化，环化和 环加成；过渡金属化舍物催化的交叉偶联反应( c r o s sc o u p l i n gr e a c t i o n ) ，如 k u m a d a 、s u z u k i 、s t i l l e 、n e g i s h ic o u p l i n gr e a c t i o n ；金属卡宾络合物的环加成反 应及其他有关反应；低价钛用于醛酮的还原偶联，醇和桥氧化合物的还原消去； 卤化物的还原偶联和烃化；氮化物的还原偶联和还原环化反应；有机钴催化的不 饱和酮和醛的分子内环化和羰基钴催化的环氧开环反应；有机锆催化的双烯 的环化；稀土化合物的c l m s e n 重排和d i e l s a l d e r 反应；锰催化烯烃的环氧化； 稀土化合物催化或促进的多种多样的有机合成反应等都具有独特的选择性，方法 简便，反应条件温和及原料来源易得的优点。 因此，金属有机催化或其参与的有机合成反应，日益受到化学工作者的重视， 已使有机合成进入了一个新的时期，也必将对化学工业的发展和有机合成方法的 开拓发挥重大作用【3 l 。 1 2 本反应研究背景 1 2 1r h 催化的有机硼酸与不饱和键的共轭加成反应 自1 9 9 7 年以来，r l a 催化的有机硼酸与不饱和键的加成反应引起了化学家们 的极大兴趣，相对其他催化体系，铑催化作用可在环境相对友好的条件下进行， 既可允许水的存在，甚至是纯粹水溶液中进行。该类反应现已成功拓展到有机硼 酸及其类似物与碳碳双键、碳碳三键、碳杂原子双键的加成反应。 1 2 1 1 有机硼酸与烯醛、烯酮的加成反应 1 9 9 7 年m i y a u r a 4 1 首次报道了铑催化的芳基和烯基硼酸对烯醛、烯酮的共轭 加成( e q 1 - 1 ) o ( a e a e ) r h ( c o ) d p p b ( 3 m 0 1 ) r l 人r 2 + r 3 b ( o h ) 2 否磊丽五而f r 3 o r ，人，人r 2 一刮1 。引胁叫 e q a q u e o u ss o l v e n t = - d m f h 2 0 ( 6 1 ) c y c l o h e x a n e h 2 0 ( 6 1 i ) o r m e o h h 2 0 ( 6 i ) l i g a n de f f e c to nr e a c t i v i t y d p p b d p p f t f p p p h 3a s p p h 3 尤其值得一提的是，该反应可在水溶液中进行。作者认为该反应中的关 键步骤是b - r h 之间的金属交换。同时作者在研究甲基乙烯基酮与苯硼酸在上述 条件下的反应中发现使用催化剂r h ( a c a c ) ( c o ) 2 和一系列膦配体时，随着p - r h - p 天津大学硕士学位论文 第一章前言 的键角的增加，反应速度相应加快5 1 。该反应的温和条件避免了在碱性条件下反 应物与底物的缩合反应。 1 9 9 8 年h a y a s h i 首次将手性膦配体引入此类反应，但用r h ( a c a c ) ( c o ) 2 加手 性配体时产率较低；用r h ( a e a c ) ( c 2 h 4 ) 2a n ( s ) b i n a p 作催化剂时，烯基或芳基硼 酸以高度的对陕选择性发生1 , 4 一加成反应( e q 1 2 ) 嘲 表1 - 1 铑催化剂的选择 2 【r h ( a c a e ) ( c 2 i - - 1 4 ) 2 】 1 46 4 9 7 3 r h ( a c a e ) ( ( s ) - b i n a p ) 1 46 4 9 7 1 【坠l 墼磐! ( 竺2 些2 2 31 ：i2 1 1 1 在一系列试验的基础上，h a y a s h i 于2 0 0 2 年提出铑催化的该类1 4 - 力成反 应的机理( s c h e m e1 - 1 ) 1 7 1 。 s e h e m e l 1 1 9 9 8 年h a y a s t f i 研究了用制备的苯硼酸酯f 柳在铑催化下的加成反应，考虑到 苯硼酸酯水解后体系呈酸性，加入五倍量的e t 3 n 促进反应，得到良好的收率和 天津大学硕士学位论文第一章前言 值( e q 1 3 ) 【剐。 r 2 r 弋文 r h ( 1 y ( s b 删a p d i o x a 丛n e h 瓣o1 而0 1 ，(1 e b n ( 1 0 e q u i v ) 1 0 0 ( 2 r 1 = n c 舛11 r 2 = h r 1 r 2 9 2 9 6 e q 1 - 3 值得提到的是，研究发现除b i n a p 外的其他双膦配体与铑生成的催化剂催化 活性和选择性都很低【9 】，因此要开辟该类不对称加成反应的应用领域，发现易得、 相对廉价且稳定的手性配体成为需求。2 0 0 0 年，在m i y a u r a 和h a y a s h i 工作的基 础上t o m i o k a 等成功报道了在单瞵配体a m i d o m o n o p h o s p h i n e ( s c h e m e1 - 2 ) 作 用下，反应生成高产率、高e e 值的加成产物。 s c h e m e1 - 2 p h 3 2 0 0 3 年，m i y a u r a 1 i 】研究了配体和碱对r h ( i ) 催化的a ，1 3 一不饱和羰基化合物 与芳基硼化合物的1 ，4 - 共轭加成反应的影响。研究发现r h 络合物中含有1 ，5 一 环辛二烯( c o d ) 和0 h 配体时( 如 r h o h ( c o d ) 2 1 ) 催化活性大大加强。还发现当 反应体系k o h 或e t 。n 等碱存在，反应速度加快。 1 2 1 2 有机硼酸与旺，p - 不饱和酯及酰胺的反应 当反应底物扩展至a ，1 3 一不饱和酯，研究人员发现在同样催化条件下其活性 大大低于烯酮，且结果受酯基影响较大。h a y a s h i 将曾用于烯酮的不对称共轭加 成的l i + a r b ( o m e ) 3 成功引入q ，b 一不饱和酯加成反应中【1 2 1 ，见( e q 1 - 4 ) 。 帆c邮+li+arb(ome)3五rh(a。丽acxc面2h4)2-(s)-binap乙c。：一 e q 1 - 4 此外，h a y a s h i 还发现对环状q ，b 一不饱和酯不对称加成反应同样取得满意的结 果。 。6 天津大学硕士学位论文 第一章前言 在此基础上，m i y a u r a ”】报道了一系列铑催化的a ，1 3 一不饱和酯与芳基硼酸 的1 ，4 一共轭加成反应。发现不饱和键上的取代基对反应进程有显著影响 ( e q 1 5 ) 。 r 1 气+ 州o h ) 2 r h ( c o d x m e c n ) 2 b f 4 ( 3m o l 。：) r l 刚5 c 0 2 + 2 咖m 2 m e o h ， 1 2 0 ( 6 ，1 ) 1 6 h 。p 户o ：r 2 肌卜5 表i - 2 取代基的影响 里曼生! ：三量堡垒2 1 垦垒! 曼旦! ：i r 1r 2t e e 与烯酮比较，a ，1 3 不饱和酰胺反应活性和产率都较低。m i y a u r a 等在2 0 0 1 年研究发现，反应体系中添加不同物质，对反应有较大影响。最后发现加入水溶 性的碱可以达到最好的收率【1 4 1 ( e q 1 6 ) 。 + p h ( o i - i ) 2 鼬 ( 2e a l u l v ) r h ( a c a c x c 2 h 4 ) 2 ( s ) - b i n a p p h 0 又八。，。 d t o x a n e h 2 0 剐i 1a d d m v c 1 0 0 1 6 h 表1 - 3 添加剂的影响 t l b l e1 3e f r b c to f a d d i t i v e 一 天津大学硕士学位论文第一章前言 1 2 1 3 有机硼酸与其他不饱和键的加成反应 随着有机硼酸与烯酮及n ，1 3 不饱和酯、酰胺的加成反应研究的深入和成熟， 研究人员希望将该催化体系用运到更广泛的活化碳碳双键的加成反应中。 尽管硝基化合物在有机合成中有着广泛的应用，但对于1 硝基取代的烯烃的 不对称加成反应的报道却很少。2 0 0 1 年，h a y a s h i 发现铑催化的有机硼酸能与1 硝基烯烃发生1 , 4 不对称加成，且反应显示高对映选择性和立体选择性 0 5 1 ( e q 1 n 。 h 叫旺瑰 刚嘲嘞四附枞母聊卿( 蝴 幽训 驻目，1 0 0 c , 3 i l v i d 吐7 9 皑9 & 3 a ：妇8 w 1 3 光活性的膦酸酯是不对称合成中很有用的手性中间体，再加上其潜在的生理 活性，一直以来倍受关注。尽管对具有高对映选择性的c l ，蚤一不饱和羰基的l ，4 一 不对称加成反应已进行了深入的研究，但对于a ，6 一不饱和膦酸酯的对映选择性 反应的研究却鲜见有报道，直至2 0 0 1 年h a y a s h i 发现在铑催化下当用( a r b o ) 3 替代a r b ( o h ) 3 作为芳基化试剂时，能与膦酸酯发生很好的1 ，4 一不对称加成反应 【1 6 】。优化反应条件，可得到最佳反应结果，见( e q 1 - 8 ) ( p h b o ) ：一- - 1 2 0 ( 1 1 ) i nd i o x a n e i r h ( a c c 2 h 4 ) 2 j ( s ) - b i n a p ( 3 m 0 1 ) 1 0 0 3 h i t 。- - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - - _ 。- - - 。_ - 一i 9 4 y i e l d 。9 6 c c 值得一提的是，一当量的水的加入对反应产率有很大影响，在无水条件下该 反应基本不发生。 1 2 2p d 催化的有机硼酸与不饱和键的共轭加成反应 p d 催化的有机硼酸与有机卤化物及其类似物的反应，即s u z u k i 偶联反应早 已在金属有机化学领域被深入研究。并由此而产生的p d 催化下的高区域、高立 体选择性的共轭二烯的合成，多官能团取代的双联芳烃的合成，有机硼化物与烯 基卤代物的偶联反应，有机硼化物与烯基三氟甲磺酸酯的偶联反应等一系列偶联 天津大学硕士学位论文第一章前言 反应都得到广泛的研究与应用旧。 基于铑催化的有机硼酸与不饱和键的加成反应的成功报道和深入研究，研究 人员开始对p d 催化的该类反应进行探索。 1 9 9 5 ，c h o 【l 引等发现加入s b c h 、冰醋酸的p d ( 0 ) 可催化苯硼酸、四苯硼钠与 a ，b 一不饱和醛、酮的共轭加成反应。通过进一步的尝试发现，许多金属氯化 物也都有催化作用，如a 1 c h 、s n c h 、a s c h 、t i c h 、f c c l 3 、m o c l 5 和c c c h 。 但s b c l 3 得到效果最佳。反应见( e q 1 - 9 ) ，收率最高可达9 0 ，但在反应的同 时还有少量h e c k 产物发生。 o 义 l0 + i h s ( o s h e q 1 2 研究还发现s b c l 3 的作用至关重要，在不加s b c h 而只有p d ( 0 a c ) 2 ，q q a 0 a c 存在情况下，只有h e c k 产物而得不到所要加成物1 9 1 ，主要是在氧化加成一步后 发生p d 的b 消除反应。作者对反应机理进行了探讨，提出如下机理( s c h e m e1 - 3 ) 。 a c o h - a c o m c l i i p d ( o a c ) 2 i p d ( o ) a r p d b ( o h ) 2 】 b ( o h - c 1 p d b ( o i 【) 2 文o h ，一文o ， 反应中通过f f - q 1 一t 0 ) 循环产生催化剂p d ( 0 ) 。 文ob ( o m j 。6 k h x o 杠一 ( 、_ m 一 一 天津大学硕士学位论文第一章前言 c l p d b ( o s h + a c o f l + a c o b ( o h h + p d ( 0 1 + h c i e q 1 - 1 0 2 0 0 3 年，曾经在研究r h ( i ) 催化芳基硼酸对烯醛、烯酮等，6 一不饱和羰基 化合物中做出大量成绩的m i y a u r a 小组开始研究p d 对该类反应的催化反应。在 r h ( d 催化该类反应时，如前所述是c r h 键与所反应的烯酮结合后产生的是与o 络合的产物。而当p d 作催化剂，烯酮与产生的r p d x 反应时倾向于形成h e c k 偶联产物。通过深入研究，发现二价p d 络合物 p d ( d p p e ) ( p h c n ) 2 x 2 在室温下即 能很好的催化反应，对上式中的x 进行一系列的替换如x = c 1 0 4 、0 t f 、b f 4 p f 6 、s b f 6 。最后发现催化剂 p d ( d p p e ) ( p h c n ) 2 ( s b f 6 h 在加x - - 定量水的条件下 催化效果最佳，奇怪的是，在有碱如k 2 c 0 3 的存在下，有一定量的h e c k 产物凹】。 作者还发现催化剂中p h c n 的存在也很重要，当使用不含p h c n 的催化剂时 反应产率显著下降，而倘若用相对电子云密度较低的4 - c f 3 g 洱1 4 c n 替换p h c n ， 催化效果同样很差。 在此基础上，2 0 0 4 年m i y a u r a 小组对该催化剂进行拓展，发现用p d ( a c a c h d p p e n 和c u ( a f 4 h 6 h 2 0 组成的催化体系或者在d p p ed p p e n 存在的条件下用 c u ( b f 4 ) 2 6 h 2 0 氧化p d ( d b a ) 2 都可以很有效地催化该反应 2 1 1 , 作者提出a r - b ( o h ) 2 与 p d 】2 + 首先发生金属交换反应而产生a r - 【p d 】+ 中间体，再与烯酮络合，机理见 ( s c h e m e1 4 ) 。 r 1 s c h e m e 4 r 1 o a r + p d i o h 2 l ir 2 卜弋一甜 r 2 在此同时，c h a r t 2 2 等将p d 催化剂引入芳基硼酸与共轭炔烃的加成反应中， 乇一 尸h 天津大学硕士学位论文 第一章前言 通过选择适当的配体和反应条件，得到高区域选择性和高立体选择性的结果。 ( e q 1 钔 鬻a c o h ( 1 0 t o o ) p h 0 0 日+ + 鼬f一人yf 天津大学硕士学位论文 第二章反应研究 2 2 3 1 2 二膦配体的合成 1 d p p e 的合成【4 9 】。 c i i l i + h 2 c h 2 + p p h 3 - ； 栖 。 e q 2 - 4 8 9 2 d p p b 的合成 d p p b 的合成同d p p e 大体类似，只是原料改为1 4 - 二氯丁烷。反应式( e q 2 5 ) 。 l i + c i c l + p p h 3 _ + 【钭一r 桕 ： l o1 1 3 d p p f 的合成【5 0 1 。 n - b u l i t m e d a 2 2 321 单膦配体催化剂的合成 1 1 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 的合成【5 1 】 醌 n i c l 2 6 h 2 。+ 2 p h 3 p ：n 一。 即7 扣 一 善 天津大学硕士学位论文 第二章反应研究 昆 扣 3 1n i ( s c n ) ，( p p h 3 ) 2 的合成1 5 3 】 q 昆 扣 眦b 眦张娩 c ii ，尸p c f 。 c i p c f n i c b 矧删一c i p p 恰砖洲o c h 3 r - 2 2 3 2 2 二膦配体催化剂的合成 nn i c l 2 ( d p p e ) 的合成 天津大学硕士学位论文第二章反应研究 n i c l 26 h 2 0 + d p p e 2 ) n i c l 2 ( d p p b ) 的合成 n i c l 2 6 h 2 0 + d p p b 。 3 1n i c h ( d p p f ) 的合成 n i c l 2 6 h 2 0 + d p p f 1 9 2 2 3 2 3 其它催化剂的合成 n i ( a c a c ) 2 撇t s 4 1 n c 1 2 6 h 2 0 + c h 2 ( c o c h 3 ) 2 _ - - 2 1 e q 2 - 1 2 冶嘻加 r l b n 2 、n叼 j l v 勉 天津大学硕士学位论文 第二章反应研究 2 2 3 3 催化剂的优化 2 2 3 3 1n i 络合物配体的选择 在均相催化剂中，配体的性质对催化剂的催化活性影响很大。在首选 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 为反应催化剂后，对与n i 络合的各种配体的催化能力进行了讨论。 ( 表2 3 ) 。 表2 3 配体对催化剂的影响 蛋生堡；：星堡壁竖垒g 翌璺2 翌! ! 堡! 兰壁 ! 望塑!垦业笪! ! ! ! 璺竖 l n i c l 2 p y 2 2 4 2 n i c h ( p p h 3 ) 2 p p h 3 5 2 3 n i c l 2 ( p p h 3 h p y 2 9 4 n i c h p ( c 6 h s c f 3 ) 3 2 p ( c 6 h s c f 3 ) 3 t r a c e 5 n i c l 2 ( d p p e ) d p p e 3 4 6 n i c l 2 ( d p p b ) d p p b “ 7 n i c l 2 ( d p p b ) 1 3 1塑旦2 ( 璺艘坌盟p 匹! ! 实验发现，单膦配体p p h 3 与n i c l 2 络合所得n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 催化效果相对较好。 当苯环上连有吸电子基团三氟甲基时，产率下降，可能是取代基改变了配体的电 子云密度，从而改变了其与金属络合、解离的性质，影响了金属催化剂的催化能 力。而如表所列，二膦配体d p p c d p p b d p p f 都未得到满意的结果。 2 2 3 3 2n i 催化剂阴离子的选择 在金属络合催化剂中，与金属相连的阴离子对催化剂的催化能力及催化过程 也有很大影响。本实验对此亦作了简单的讨论( 表2 。 表2 - 4 阴离子对催化剂的影响 t 幻l e2 - 4e 旋c to f a n i o n e n t r y c a t a l y z e r y i e l d l n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 5 2 2 n i b r 2 ( p p h 3 ) 2 t r a c e 3 n i l 2 ( p p h 3 ) 2 1 8 4 n i ( s c n ) 2 ( p p h 3 ) 2 0 天津大学硕士学位论文第二章反应研究 可见，c l 离子的效果最好，当用n i c l 2 ( p p h 3 h 反应后体系清晰，主产物即为 所要目标分子。当使用n i b r 2 ( p p h 3 ) 2 只有可检测到的目标产物生成，而得到大量 副产物苯酚。当阴离子换做s c n ，没有产物生成。 2 2 3 3 3 n i ( a e a c ) 2 的尝试 如文献综述所列，n i ( a c a c ) 2 在n i 催化的许多反应中起着举足轻重的作用， 无论是其单独使用或与锌粉结合生成n i ( 0 ) 而催化反应，都有着很广泛的应用。 所以，也对n i ( a e a c ) 2 的不同组合催化剂进行了尝试。具体反应操作步骤和各物 质的用量近似于基本步骤中所列，仅仅少加b u 4 n i ，相应催化剂和配体与表2 5 中对应即可。 表2 - 5n i ( a c a c h 的尝试 墨生! ! ：i 三垡2 1 型堑兰丝2 2 e n t r y c 删y z e r y i e l d 由表中可见，各种n i ( a c a e ) 2 催化体系在该反应中没有得到好的催化效果。 2 2 。3 4 还原剂的选撵 在查阅文献的过程中发现，作为使主催化剂从高价态变为低价态的还原剂， 有时对反应也有出人意料的影响。而在探索反应条件的初期乃至中期，一直未对 此方面予以考虑，而一直采用文献中经典的、简易的还原n i 2 + 的方法，即和计量 的活化锌粉混合。现对几种还原剂进行比较( 表2 - 6 ) 。 表2 - 6 还原剂对反应的影响 t a b l e2 6e f f e c to f r e d u c i n ga g e n t e n t r y 12345 r a z n z n - c uc o u p l e m g n - b u l if e y i e l d 5 22 2 t r a c e s1 08 0 其中，所用金属需预先活化处理，具体活化方法以z n 为例如下：取z n 粉， 天津大学硕士学位论文第二章反应研究 加入适量4 稀盐酸，有大量气泡产生，可略搅拌后倾倒出液体。如此重复两次， 同法加蒸馏水洗涤三次，洗去盐酸，再用丙酮将金属洗涤三次，以除去金属表面 水，再用乙醚洗涤两次，洗去丙酮。先用水泵，后改用油泵将剩余乙醚抽干。f e 粉、m g 粉同法处理。 e n t r y 2 中z n - c uc o u p l e 的做法即将i o c u c l 与锌粉混合所得，也可用传统 方法制得i ”j 。 e n t r y 4 的操作步骤较其它略有区别，具体操作如下1 5 6 1 ：实验步骤严格按照 无水无氧操作要求进行，且反应瓶需在抽真空下火焰灼烧处理。待反应瓶冷却， 加入o 7 2 9 ( 6 m m 0 1 ) 苯硼酸，o 1 3 9 ( 0 2 m m 0 1 ) n i c h ( p p h 3 ) 2 ，o 1 0 6 9 ( 0 4 r n m 0 1 ) p p h 3 ， 进行无氧操作，后再n 2 气氛下加入8 m l 干燥的二氧六环，在加入2 2 nb u l i 0 3 6 3 m i ( o 8 r e t 0 0 1 ) ，搅拌片刻，溶液变为深红色，加入o 1 6 m l ( 2 m m 0 1 ) m v k , 加热 至8 0 反应1 3 小时，后处理同操作步骤2 1 。 e n t r y 5 其他条件同2 1 操作，f e 粉加入量o 1 2 9 ( 2 m m 0 1 ) 。 2 2 3 5 其它催化体系及催化条件的尝试 1 ) n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 a 9 2 c 0 3 文献中有利用a 啦o t s 与p d c h ( c h 3 c n ) 2 中氯离子形成a g c i 沉淀而催化反 应的例子 5 7 1 ，该实验亦对此条件进行尝试。将0 4 8 9 ( 4 m m 0 1 ) 苯硼酸， o 0 6 5 9 ( 0 1 m m 0 1 ) n i c l 2 ( p p h 3 h ，o 0 5 5 9 ( 0 1 r e t 0 0 1 ) a 9 2 c 0 3 加入反应瓶，无氧操作三 次，假如干燥t h f l 5 m l ，再将0 1 6 m l ( 2 m m 0 1 ) m v k 转入体系。加热回流1 2 小 时，后处理同1 2 所述。g c m s 检测有所要产物，且无副产物连苯产生。柱分 离得0 0 4 9 产物，收率1 3 5 。虽然具体催化机理尚不明确，但有趣的是，只有 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 ，不加锌粉时，并不能催化该反应。或许是由于c 0 3 离子代替了 c r 与n i 连接，从而影响的n i 的性质，进而使反应可能发生。 2 ) 超声波的使用 近年来，超声波在有机合成中的使用越来越多，超声波促进的反应的范围也 越来越广。主要通过超声能量加速和控制反应，提高反应产率和引发新的化学反 应。在超声波这种特殊的条件下，反应地物与底物之间、底物与溶剂之间通过强 烈碰撞而传递能量。所以在常规条件下不能发生或者发生很慢的反应，在超声波 条件下可以实现。超声波辐射能加速各种有机均相及非均相反应，特别是金属参 与的有机合成反应，因此超声波方法在有机合成中的应用越来越引起人们的重 视。所以，考虑到所研究的反应体系中有锌粉存在，是个非均相的体系，故也对 超声波条件进行了尝试1 5 ”。即在步骤1 2 所描述的反应升温之前，将其浸入超声 仪的液面以下1 小时，后升温至8 0 ，反应4 小时。处理g c m s 检测有所要产 天津大学硕士学位论文 第二章反应研究 物，柱分离得0 0 8 8 9 ，收率3 0 。未达到所期望效果。 2 2 3 4 添加剂的确定 2 2 3 4 1 碱的加入 纵观现有文献，在苯硼酸作为底物的反应中，无论是如s u z u k i 偶联反应或 r h 催化的苯硼酸与烯酮的加成反应，都有碱的加入，机理为碱进攻苯硼酸的硼 原子从而削弱苯硼酸中的碳硼键，更利于和催化剂发生金属交换反应。所以， 在该反应中也对各种碱进行了尝试( 表2 6 ) 。具体实验步骤与反应物配比同2 1 所 述，用6 r e t o o l 表中所述各种碱代替2 1 中b t u n i 即可。 表2 - 6 碱的加入对反应的作用 1 a b l e2 6e 虢c to f t h ea l k a l i 垫丝!呈j!i鱼!： a l k a l i k 2 c 0 3k 3 p 0 4 一l i c 0 3 k fk o h e t 3 nb i p y r i d i n e y i e l d 4 0 6 h 2 0 0t r a c e s1 0t r a c e s2 01 7 其中，e n t r y l 中k 2 c 0 3 的加入使反应后的体系很清晰( g c m s 见谱图分析) ， 主要产物和唯- - 昌f j 产物连苯，但分离收率不高。e n t r y 2 使用含结晶水的k 3 p 0 4 ， 没有产物得到，再一次证明了体系中不能有多余水的存在。通过其它有机碱、无 机碱的尝试，发现碱对n i 催化的该体系影响不是很大，并没有使产率有质的提 高。 2 2 34 2 季铵盐的加入 p e r e e e 等在用n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 z n 催化磺酸芳基酯的自偶联反应中，提到b u 4 n i 的加入，使产率大有提高【5 9 】。虽然其具体机理尚不清楚，作者提出b u , n i 中的 i 。离子在n i 与z n 之间电子传递过程中可起到桥联作用，并且在产生低价n i 后，碘离子还会起到稳定低价n i ，使之后反应顺利进行的作用。 考虑到此，本实验也尝试加入b u 4 n i ，可喜的是反应产率有一定的提高， g c m s 产物峰有明显升高，分离收率可达5 2 。但仍旧不能达到很好收率。 作为比较，同时对b u 4 n b r 、b u 4 n c l 也进行尝试，相同与b u 4 n i 的量加入后， 所的产物收率分别为2 8 8 、1 5 。说明卤素离子中，i 离子的作用较明显。 2 2 3 4 3 其它添加剂的加入 天津大学硕士学位论文第二章反应研究 有机金属络合的催化剂参入的反应，一般机理较复杂，不是十分明确。加之 催化剂量小，影响因素较多，所以需要考虑多方因素。 考虑到用锌粉还原镍到低价态，同时会有z n c l 2 产生，为了探究z i l c l 2 对反 应的影响，采取了添加z n c l 2 和掩蔽z n c h 的方法。首先在2 1 所述体系中加入 0 0 4 9 ( 0 3 m m 0 1 ) 无水氯化锌，反应后柱分离的产率3 7 2 ，证明z n c h 不能促进 反应。那反应过程中产生z n c l 2 是否会阻碍反应，经查阅文献，发现加入d m e ( 乙 二醇二甲醚) 会起到掩蔽所产生的z n c l 2 的作用删。在2 1 所述体系中加入 o 1 2 5 m 1 ( 1 2 m m 0 1 ) d m e ，反应所得柱分离，产率3 0 。可见，z n c l 2 的存在与否 不是影响反应的主要因素。 在a ，e 一不饱和羰基化合物参与的反应中，有文献报道加入t m s c l 会起到 稳定q ，1 3 一不饱和羰基化合物的互变异构体烯醇式，从而使反应更易进行【6 1 1 。在 2 1 所述体系中加入0 4 6 m l ( 4 r e t 0 0 1 ) t m s c l ，其余操作相同，分离得产物0 0 5 3 9 ， 收率1 8 1 未有提高反而有所下降。 曾有人用a 1 c 1 。催化苯对m v k 的直接加成，所以也对此强m e w s 酸进行尝试， 在2 1 所述体系加入0 0 5 3 9 ( 0 4 m m o i ) a 1 c 1 。其与操作相同，得产物收率3 6 7 。 考虑到反应最后阶段金属镍与底物的解离需要质子的作用，而且文献中在研 究n i 催化的苯硼酸酯与丁二烯的加成反应中，通过加入不同质子源，对反应有 着不同的影响1 6 2 。故本实验虽然苯硼酸本身带有质子，也对外加质子进行了简单 尝试。首先对2 1 所述体系加入0 0 2 5 9 ( 0 4 m m 0 1 ) 硼酸，反应后的收率3 1 1 。 又对异丙醇进行了尝试，在2 1 所述体系加入0 1 5 3 m 1 ( 2 m m 0 1 ) 异丙醇，溶剂 改为干燥的t h f l o m l 。反映现象与之前反应有所不同，体系为紫色，加入m v k 后，体系为深紫色。升温至6 0 ，过夜反应，处理得所要产物收率1 3 6 。 2 2 3 5 小结 在催化剂的选择与优化中，尝试的一系列n i ( a c a c ) 2 、n i c l 2 p y 2 、n i c h ( p p h s ) 2 等发现n i c