（有机化学专业论文）镍络合物催化的有机反应研究.pdf

中文摘要 金属镍由于其廉价易得，以及良好的催化效果，近年来已成为金属催化的研 究热点。 苯硼酸系列物对a ，陟不饱和羰基化合物的共轭加成反应，尤其是金属r h 、p d 作为催化剂的该反应已经成为构筑碳一碳单键的有效方法。在本课题组已经将镍 催化剂成功引入苯硼酸系列物对a ，b 不饱和羰基化合物的共轭加成反应体系的 基础上，本文尝试在此体系中对反应底物之一a ，p 不饱和羰基化合物进行适用范 围的拓展研究以及反应机理的进一步探讨和完善。 z n 试剂在n i 的催化下可以与炔烃进行加成反应，这一反应已经得到了广泛 地研究和应用。但已有的反应仅是以单取代的卤代烃制取锌试剂后进行反应，在 研究中尝试将双取代的卤代烃引入这一碳键的形成过程中，以此来构造五元环， 探寻到一条合成五元环的简单易得的方法。目前主要利用邻溴溴苄来合成锌试 剂，与炔烃反应后生成含有一个双键的五元环。 关键词：n i 催化苯硼酸共轭加成环加成五元环 a bs t r a c t b e i n ga ni n e x p e n s i v ea n dc o m m o nm e t a l ，n ia n di t sc o m p l e xc a t a l y s ts y s t e m e h a sb e e np 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 sw i t hah i g hd e g r e eo fe f f i c i e n c y a n ds e l e c t i v i t y r h 、p d - c a t a l y z e dc o n j u g a t ea d d i t i o no fo r g a n o b r o n i ca c i d st oa ，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 si sa l le f f i c i e n tr o u t eo fc cb c i n df o r m a t i o n o nt h e b a s eo fs u c c e s s f u l l ys t u d i e dn i - c a t a l y z e di nt h i sr e a c t i o ni no u rg r o u p ，ad e e p e ra n d m o r ec o m p r e h e n s i v et r i e sh a v eb e e n d o n ei nt h i sp a p e r a d d i t i o n so fo r g a n i c z n i cr e g a n tt oa n c y n ei nt h ec a t a l y s tw i t hn ic o m p l e xh a v e b e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e da n da p p l i e d b u ta l lt h er e a c t i o nm e n t i o n e dh a db e e nm o n o - h a l o h y d r o c a r b o n s ，t h er e s e a r c h e rt r i e dt od e a lt h ep r o c e s st h a tt h ed i h a l o h y d r o c a r b o n a t t e n d e dt ot h ec a r b o nb o n df o r m a t i o ni no r d e rt oc o n s t r u c tar i n g 1 1 1 es y n t h e s i so fa f i v e - m e m b e r e dr i n gl e a d st oas i m p l ea n de a s ym e t h o d c u r r e n t l yt h ee y c l o a d d i t o n w i t h a l k y n e a n do r g a n i c z n i c r e a g e n t w h i c hf o r m sw i t hz ni n s e r t i n gi n t o 1 - b r o m o 2 - ( b r o m o m r t h y l ) - b e n z e n ef o r m a t i o n saf i v e - m e m b e r e dr i n gw h i c hc o n t a i n s ad o u b l eb o n d k e y w 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 , c o n j u g a t ea d d i t i o n , c y c l o a d d i t i o n ，f i v e - m e m b e r e dr i n g 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，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞基堂或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。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：未d 母素 签字曰期：弦。了年月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂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：毒d 舟考 签字日期：如刁年占月扩日 导师签名：卵、移东 签字日期：矽矿7 年彭月i f e j 第一章前言 第一章前言 1 1n i 催化的共轭加成反应的研究背景 有机硼酸与a ，b 不饱和羰基化合物的共轭加成反应已经引起了有机化学家们 的广泛研究，在金属r h ，p d 的催化下得到了令人满意的结果后，近来见到引入 n i 催化剂到此反应中的报道【l 】。 1 1 1r h 催化的有机硼酸与不饱和键的共轭加成反应 自上个世纪9 0 年代以来，铑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。相比较其他体系来说，i m 的催化作用可以在对环境相对 友好的条件下进行，即可允许水的存在，甚至于纯水溶液也可以进行反应。该类 反应现在已经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 双键的加成反应等。 i i i 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 首次报道了铑催化的芳基和烯基硼酸对烯醛以及烯酮的共 轭加成( e q1 1 ) 【2 1 。 r 。从解+ 啦。田2 卷鬻舞卜r 。人八解 r 3 = a r y l ，l - a l k c n y l 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。 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，但是用r h ( a c a c ) ( c o ) 2 ：j h 手性配体时产率较低，用r h ( a c a c ) ( c 2 i - 1 4 ) 2 加( s ) b i n a p 作催化剂时，烯基或者芳 基硼酸以高度的对映选择性发生了1 , 4 - 力口成反应( e q1 - 2 ) 3 1 。 第一章前言 r h ( a c a c ) ( c 2 h 4 ) 2 ( 3 m 0 1 ) + p b b h ( o h ) 2 ( s _ ) - b 磊i n 忑a p 西( i i e q 磊u i v 而t o 万r h ) ro l o x a n e ，h u = l u ，i 1 0 0 ，“ e ql - 2 o 表1 1 铑催化剂的选择 t a b l e1 1s e l e c to fr hc a t a l y s t 该反应的应用范围很广，无论是芳基的硼酸还是卜烯基硼酸，都可以以很高 的对映选择性发生l ，4 - 力口成反应。 。 在一系列的实验基础上，h a y a s h i 于2 0 0 2 年提出的r h 催化的该类反应的机理 ( s c h e m e1 1 ) 【4 】。 h s c h e m e1 1 值得一提的是，研究发现除b 矾a p 外的其他双膦配体与铑生成的催化剂催化 第一章前言 活性和选择性都很低【5 】，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 i 作的基础 i - _ t o m i o k a 等【6 1 成功报道了在单膦配体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 ) # 用- f ， 反应生成高产率、高e e 值的加成产物。 p h a 2 0 0 3 年，m i y a u r a 7 1 研究了配体和碱对r h ( i ) 催化的仅，p 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o h 配体时( 女f i r h o h ( c o d ) 2 ) 催化活性大大加强。还发现当反应体系有 k o h 或e t 3 n 等碱存在，反应速度加快。 1 1 1 2 有机硼酸与q ，p 不饱和酯及酰胺的反应 当反应底物扩展至a ，p 不饱和酯时，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 尝试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a ，p 不饱和酯加成反应中【8 】见( e q1 - 3 ) 。 r h ( a c a c x c 2 h 4 ) 2 ( s ) - b i n a p d i o x a n c h 2 0 = 1 0 ：1 p h 工 ：r y i e l d9 6 9 5 此外，h a y a s h i 还发现对环状a ，p - 不饱和酯的不对称加成反应同样取得满意的 结果。在此基础上，m i y a u r a d 、纠9 】报道了一系列铑催化的a ，p 不饱和酯与芳基硼 酸的1 ，4 共轭加成反应，发现在 r h ( c o d ) ( m e c n ) 2 b f 4 的催化下，不饱和键上的取 代基对反应进程有显著影响( e ql _ 4 ) 。 r 1 、。即如 r h ( c o d ) ( m e c n ) 2 b f 4 ( 3t 0 0 1 ) m e o h h 2 0 ( 6 1 ) ，16 h e q1 4 入邮2 第一章篱蓼言 表l - 2 取代基的影响 t a b l e1 - 2e f f e c to f rf o r 翻1 - 4 与烯酮比较，玛多一不饱和酰胺反应活性和产率都较低。m i y a t t 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( e q1 5 ) t 1 0 1 。 a 人瓣鳓+ 黼， r h ( a c a c ) ( c 2 h 4 ) 2 ( s ) - b i n a p 螽o x 舔硼芦：1 a d d i t i v e 1 0 0 。1 6 h e q1 - 5 n 瀚 表1 3 添加剂的影响 曩l b l el 。3e 妇f e c to fa d d i t i v e _ ii ii i i 一 e n t r y a d d i t i v e e q u i v y i e l d l n o n e - 6 7 2a e o 珏o 0 51 5 3h c lo 0 5o 4 b ( o h ) 3 1 0 7 5 5e t l n2 o5 9 6 k 2 c 0 3 0 。0 5 8 2 7k o 珏 o 。0 5 8 5 1 1 。1 3 宥枕硼酸与其他不饱和键的加成反应二 随着有机硼酸与烯酮及p 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运用到更广泛的活化碳碳双键的加成反应中。 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( e 唾1 - 6 ) t 1 珏。 第一章蓊言 p h b ( o h ) 2 r h ( a c a c x c 2 h 4 ) 2 ( s ) - b i n a p ( 3 m o i ) d i o x a n e h 2 0 = 1 0 ：1 ，1 0 0 c , 3 h y i e l d ：7 9 0 e e ：9 8 3 e q l - 6 础脚：8 7 1 3 光活性的膦酸酯是不对称合成中很有用的手健中闻体，褥加上其潜在的生理 活性，一直以来倍受关注。尽管对具有高对映选择性的仅，p 不饱和羰基的l ，4 不 对称加成反应已进行了深入的研究，但对予链不饱和膦酸穗的对映选择性反应 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l ，4 不对称加成反应1 1 2 1 ，优 化反应条件，可得到最佳反应结果，觅( e q1 7 ) 。 ( p h b o ) 3 i - 1 2 0 ( 1 1 ) i nd i o x a n e 即嘞丽rh(ae矿ac)(c2h4)2(s)-binap(3m01) eq 1 - 7 f p o 戡 9 4 y i e l d ，9 6 e e 值得一提的是，一当量的水髓加入对反应产率有很大影噙，在无水条件下该 反应基本不发生。 1 1 2p d 催化的有机硼酸与不饱和键的共轭加成反应 f 瑚催纯的有机硼酸与有机蠹化物及其类似物的反应，r p s u z u k i 偶联反应早 己在金属有机化学领域被深入研究。并由此而产生的p d 催化下一系列偶联反应都 得到广泛的研究与应用【1 3 j 。 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 催化的该类反应进彳亍探索。 1 9 9 5 年，c h of 1 铂等发现加入s b c l 3 、冰醋酸的p d ( o ) 可催化苯硼酸、四苯硼钠 与0 【，p 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 也都有催诧俸媚，耋n a l c l 3 、s n c h 、a s c l 3 、t i c h 、f e c l 3 、m o c l 5 和c e c l 3 等， 但s b c l 3 得到的效果最佳。反应见( e q1 8 ) ，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。 第一章前言 + p h b ( 。h ) 2 s b i c l 3 磊p d 函( o 百a c ) 2 n a o a c e qi - 8 + p h o 研究还发现s b c l 3 的作用至关重要，在不j j r s b c l 3 而只有p d ( o a c ) 2 、n a o a c 存 在情况下，只有h e c k 产物而得不到所要的加成物【1 5 】，主要是在氧化加成一步后 发生p d 的0 消除反应。作者对反应提出如下机理( s c h e m e1 - 3 ) 。 p d ( o a c ) 2 i p d ( o ) a r b ( o h ) 2 + 【a r p d b ( o h ) 2 一 a c o h - a c o m c k l 。 - c l p d b ( o h ) 2 反应中通过( e q1 - 9 ) 循环产生催化剂p d ( 0 ) 。 o h j c l p d b ( o h ) 2 +a c o h j a c o b ( o h ) 2 + p d ( 0 ) + h c l a c o m c i n 1 + h c i m c i n + a c o h e q1 - ? 2 0 0 3 年，m i y a u r a j , 鲤 5 ：始研究p d 对该类反应 腥化反应。在r h ( i ) 催化该类 反应时，是c r h 键与所反应的烯酮结合后产生与。冶合的产物。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 。6 & b 文 。6 洲文 第一章前言 一系列的替换如x = 0 0 4 、o t f 、b f 4p 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 ) 2 在加入一定量永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 e k 产物【1 6 1 。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 的催化剡时反应产率显著下降，藤倘若用相对 电子云密度较低的4 - c f 3 c d - 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 d 组对该催化剡进行拓展，发现用p d ( a c a c ) 2 d p p e n 和c u ( b f 4 ) 2 6 h 2 0 组成的催化体系或者在d p p e 、d p p c 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【1 7 】。作者提出a r - b ( o h ) 2 与【嘲黔首先发生金属交换反应两产生舡【p 羽+ 中闻体，再与烯酮终含，祝理见 ( s c h e m e1 - 4 ) 。 r 1 s c h e m e1 - 4 在此同时，c h a n t l 鳓等将p d 催纯剂弓| 入芳基硼酸与共轭炔烃的加戒反应中， 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 l 一1 筑。 n 。b u 一 c o o e t p p d h ( 。o b a c 。e h ) 2 ，：d p p e n 。i b d ? ： ：= 誊= 。e + n - b u m 1 。尸+ a c o h ( 1 0 t o o ) p h 9 9： 值得一提的是，反旋中需要加入催化量的a c o h 才能达到满意的催化效果， 但其机理尚不清楚。 乇 一h 睦一尸k 第一章前言 i i 3n i 催化的此类反应概述 直到近二十年，自从1 1 3 一烯丙基镍络合物与醛反应生成烯丙基醇的反应的报 道后，才有大量有关镍催化的烷基格氏试剂与有机卤化物的偶联反应研究。下面 就与本反应较为相关的几个方面加以综述。 1 1 3 1n i 催化的共轭加成反应概述 最近二十年来，n i 催化剂被成功地用于催化活性较低的有机金属试剂对0 【，b 不饱和羰基化合物的共轭加成中。这些有机金属试剂包括烷基、烯基、炔基铝试 剂、由s c h w a r t z 发现的烯基锆试剂、由l u c h e 应用的二烷基、二芳基锌试剂。 纵观这类反应，发现其有如下优点：i 、相比较其它条件下的该类反应，反应活 性较低的有机氯试剂、有机锆试剂和有机锌试剂对其它官能团的兼容性较强；2 、 此类有机金属试剂不需要像其它金属试剂通过碳一卤键的金属化来制得，最终也 不需质子化来形成最终产物烯酮；3 、镍催化剂的使用避免了该类反应使用大量 铜催化剂及其带来的环境问题；4 、与镍络合的手性配体的使用有效地实现了不 对称共轭加成；5 、镍催化剂价格相对低廉。 早在1 9 7 4 年，由m o l e ，a s h b y 【1 9 】等人将镍催化剂引入有机铝试剂对a ，p 不饱 和羰基化合物的共轭加成反应中。首先实现的是在n i ( a c a c ) 2 催化下的三甲基铝对 a ，p 不饱和酮的加成反应( e q1 1 1 ) 。 ( c i - i 3 ) 3 a l - t - h 2 0 r + h + e q l - 1 1 此方法被证明是一有效的共轭加成方法，后来作者又将底物拓展至环烯酮系 列，也得到了较好的结果，且反应在很短时间即能完成，只是一些底物存在产物 与底物发生二次加成的情况，有类似二聚的产物得到【l 9 j 。 而后，由s c h w a r t z 等人逐渐将n i 催化剂引入烯基铝、炔基铝对a ，p 不饱和酮 的加成反应中。作者首先研究在n i ( a c a c ) 2 d i b a l 催化下二烷基烯基铝对a ，b 一不饱 和酮的加成，发现烯基和烷基大约以4 ：1 的几率向不饱和酮加成。所以烯基共轭 加成反应的应用受到一定的制约。作者考虑到炔基与烷基之间的差异足以使炔基 优先于烷基从a l 迁移至催化剂n i 近而与不饱和酮发生加成反应。通过实验，作者 果然得到较为满意的引入炔基加成产物【2 0 j ，而且该反应由于炔基铝很容易制得， 使该反应成为分子内引入炔基的重要而有效的方法之一，反应见( e q1 1 2 ) 。 第一章前言 一野一眦2 芾业 o r 值得一提的是，在应用n i 催化该反应以前的炔基铝对烯酮的加成反应底物都 只限于顺式烯酮，该方法使如2 一环己烯酮这样的反式烯酮同样实现炔烃的引入， 有很大的理论和实际意义。此法已被成功用于全合成中( e q1 1 3 ) ，得到立体选择 性较好、产率较高的1 ，4 功口成产物【2 l 】。 o 三 o t h p 0 下h p = 苎三= 型坠- r n i ( a c a e ) 2 d i b a l o e q1 - 1 3 1 9 7 7 年，s c h w a r t z 2 2 讣组开始又将注意力引入镍催化的有机z 试剂对仅，1 3 不 饱和酮的加成反应。反应所用烯基锆试剂是由炔烃和c p 2 z r ( h ) c 1 反应而得，所得 物与仅沪一不饱和酮混和并无反应发生，当加入催化量的n i ( a c a c ) 2 ，很快有反应发 生，水解即得所要1 ，4 - 烯酮产物( e q1 1 4 ) 。 h 1 a ，1 3 - e n o n ，n i ( i i ) 2 h 2 0 cp 2 z i c i e q1 - 1 4 r 3r 2 作者还对反应机理进行了探讨，虽然具体的催化机理尚不明确，但作者通过 加入计量的n i ( a c a c ) 2 后反应产率升高确认是n i ( h ) 在起到催化作用，而不同于有机 铝试剂中的n i ( o ) 。此法还被用于复杂分子的构筑( e q1 1 5 ) t 2 3 1 。 1 9 8 3 年，l u c h e l 2 4 等人将镍催化剂引入有机锌试剂对c 【，b 不饱和羰基化合物 的共轭加成中。作者发现在n i ( a c a e ) 2 存在的条件下，有机锌试剂在室温即可与底 物发生共轭加成，且有较好的收率( e q1 1 6 ) 。作者还将原有的有机锌试剂的合成 方法进行了改良，采用微波环境下的芳基卤代物、金属锂、卤化锌的一锅反应得 高收率的二芳基锌。 第一章前言 o 1 c h ，o - - - - - - - - - - - 2 h 3 0 + o a r b r + l i z n b r 二，+ e t h e ro r t h f 4 0 她 e q1 - 1 6 沁 o 反应显示即使在烯酮1 3 位有双取代基的底物也同样能得到共轭加成产物， 这主要是由于形成了热力学上较稳定的有机金属中间体，使得反应在室温即可发 生。该法同样被广泛用于天然复杂分子s c o p a d u l i c 酸的合成中( e q1 1 7 ) 【2 5 1 。 o ： o e q1 - 1 7 镍催化剂除了在通过催化上述有机铝、有机锆、有机锌试剂向a , 1 3 不饱和羰 基化合物进行共轭加成，从而实现碳碳键的构筑之外，后来还发现在镍催化剂 下，可以实现有机卤代物直接对0 【，p 不饱和羰基化合物的共轭加成反应。 1 9 8 8 年，l e b e d e v 等人发现，通 i 扭i c l 2 ( p p h 3 ) 2 z n , e 啶体系在乙腈中的催化， 可以实现芳基溴化物、溴代烷烃对丙烯酸甲酯等不饱和键的加成反应( e q 1 1 8 1 【2 6 】。 咎 o 5 4删 刚 吨 第一章前言 a r - b rq - 殄r 洲e 景产。y 洲e o 。，姆 e q1 - 1 8 作者在研究中发现，在不加吡啶的条件下，芳基溴化物会发生自身偶联的副 反应。有趣的是，当反应物、溶剂用c a h 2 严格干燥后，产率意外降至1 4 。在 此体系加入一定量水，产率升至4 8 ，说明体系中需要一定量的水存在。 1 9 8 9 年，s u s t m a n n 等对此反应进行进一步研究，发现用n i c l 2 0 6 1 - 1 2 0 替代 n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 同样得到较为满意的结果。作者对反应底物进行了拓展，烷基溴、 烯基溴同样适合该反应。不饱和底物也从丙烯酸酯系列拓展至丙烯腈、0 【，p 不饱 和酮，且都得到较好的收率。同时还尝试用a 甲基吡啶、2 ，4 二甲基吡啶、n 一甲 基咪唑、二甲基唑啉、d b u 等有机碱，都能起到协助催化该反应的作用，而2 ，4 ，6 三甲基吡啶、嘧啶、四甲基乙二胺等则没有这样的作用【2 7 j 。 1 9 9 7 年，由g u e u g n o t 等提出用n i b r 2 3 h 2 0 在还原电极下催化烯基卤代物对 b 不饱和羰基化合物的共轭加成，且有很好的收率和立体选择性【2 引。 该法在合成一种南非羚羊信息素中显示了其优越性( e q l 1 9 ) 。 c 5 h 1 ，一业掣等c 5 h 言- 1 d i s i a m y l b o r a n el t h f i6 5 2 c h 3 c o o hl d m f c h ，c nl o m v k n i b r 2 3 h 。2 0e 。 c 5 h ，1 、一人- 忑_ c 5 h ，1 i e q1 1 9 1 1 3 2n i 催化有关芳基硼酸的偶联反应 p d 催化的芳基亲核试剂与苯硼酸的偶联反应，i l p s u z u k i c o u p l i n g ，已被人 们广泛使用。溴代、碘代、三氟甲磺酸酯基取代的芳环都可以和苯硼酸高产率的 偶联，唯有氯代物效果不佳，所以需要找到活性更高的催化剂来催化该反应。研 究人员想到了n i 。首先由p e r e e e 等利用n i ( 0 ) 在加入k 3 p 0 4 条件下催化各种芳基磺 酸酯与苯硼酸反应，其中n i ( 0 ) 是e 自n i c l 2 ( d p p f ) 和z n 粉现制得到。此反应在温和条 件下高产率得到二芳基化合物，有良好的区域选择性，而且可以容许许多官能团 第一章前言 的存在。作者对溶剂、催化剂、碱的作用都进行了探讨【2 9 】。 作者提出，该反应较之以前p d 催化的s u z u k i 反应有如下优点：l 、n i 较之 p d 价格要低廉的多；2 、该条件下，p d 催化时不能反应的芳基甲磺酸酯也能反应， 而芳基甲磺酸酯可方便地从取代酚、二酚制得。 与此同时，著名的m i y a u r a 小组也致力用n i 催化剂改良s u z u k i 反应。他们发 现，一定条件下n i ( 0 ) 可以实现芳基氯化物和苯硼酸的偶联反应，所需的n i ( 0 ) 是 由n i c l 2 ( d p p f ) 和丁基锂反应所得( e q1 - 2 0 ) 3 0 】。 d 即嘞+ 9 c - 器警 e q1 - 2 0 研究发现，此方法适用范围广泛。芳基氯化物上无论有醛基、腈基、酯基等 吸电子基还是甲基、甲氧基、氨基等供电子基，都可以顺利的进行反应。作者对 反应机理做了探讨( s c h e m e1 5 ) t 3 1 1 。 a r - n i - a r k n i c l 2 k 乒= l e n i ( 0 ) s c h e m e1 - 5 + b a s e 上述研究虽然所用还原剂不同，但机理都是n i ( 0 ) 在起催化作用，使芳基氯 化物首先发生氧化加成反应。但有趣的是，1 9 9 7 年i n d o l e s e 提出同样的反应， 在近似相同的条件下，不需要任何还原剂仅用n i c l 2 ( d p p f ) 、k 3 p 0 4 即可催化该反 应【3 2 1 ，看来其反应机理尚待进一步探讨。 同样该反应，上述方法都需要在无水条件下，g a l l a n d 等发现在体系中加入 配体t p p t s ，可以使反应在二氧六环水的混合溶剂中反应，且有较好收率【3 3 1 。 y a n gz h e n 3 4 】通过n i ( 0 ) 催化磷酸环己烯酯与苯硼酸偶联来制得芳基取代的 第一章前言 环己烯，得到较为满意的结果( e q1 - 2 1 ) 。 9 0 、p o ( 渊鼍r 6等r e ql 一2 1 1 1 3 3n i 催化有关芳基硼化物与不饱和键的加成反应 2 0 0 1 年s h i r a k a w a 3 5 j j 、组首先报道了镍催化的有机硼化合物与炔的加成反 应，通过调控芳基硼酸化合物、配体及质子源，该反应可高选择性地得到加成产 物。只是当苯硼酸和取代炔烃反应时，主产物是芳环与一分子炔烃加成后继而与 另一分子炔烃偶联所得二烯( e q1 2 2 ) 。 n i f c o d ) 2p p h 3 a r b h ( o h ) 2 + r r 嚣蔷 a i - - - 4 - m e o c 6 h 4 r = p r7 8 a r = 3 - n h 2 c 6 h 4 r = p r6 1 a r = - p hr = p r7 7 rr a r 、 一 + l = i 一毗蛔 e q1 - 3 0e t 一西 第一章前言 + c 0 2 n i ( c o d ) 2 ，c y 3 p e q1 - 3 1 6 4 & 其次，n i 的化合物可以催纯炔和异腈化合物耦含反应。虽然具体的机瑾尚不 清楚，但是t a m a o 和i t o 已经研究出一种异腈化合物和烯炔或者双炔按照化学计量 毙的环化反应，该反应忍经显示感良好的瘛用性。b u c h w a l d 在此基础上寻找到了 不同的催化产物( e q1 - 3 2 ) 1 4 s 。得到的五元环取代的烯亚胺可以直接水解生成含有 五元环的酮，许多碳环或者杂环的化合物可以通过这个方法制得。 f 黝+ 众 0户影 n i ( c o d ) 2 ，b i p 3 i e q1 - 3 2 有关炔和醛酶加成反应也有不少的报道。尽管在祝理的研究中并没有分离得 到金属氧杂环的中间态，但是从反应过程来看类似于炔和二氧化碳的加成反应。 酗如和s a e 笋s a 报道的通过炔和醛的耦合雕以达到炔烃的加氢环化目的f 4 9 】。 ( 二= + 孵人hx 群r 1 十r 2 人h e q1 3 3 r 1 r m o n t g o m e r y 迸一步发展了此反应过程，研究出炔、醛、有机锌试剂发生三 组分耦合反应。反应在没有磷化氢的条件下进行，有机锌试剂会整体参加反感， 生成烯丙醇类化合物。若n i 催化剂和三丁基膦同时存在，有机锌试剂只提供1 3 h 参加反应，h 原子替代烷基加到反应产物上去。三乙基硅烷也可以作为此反应的 还原荆，此方法应甩予全合成中合成蛆。掣戚l i o 幻烛挖6 7 a ( 1 - 3 4 ) t 5 0 1 。 第一章蓠言 e q1 3 4 a l l o p u m i l i o t o x i n 2 6 7 a h o d g s o n 仓l j 造出了n o z a k i k i s h i 偶联反应，即卤代烯烃、炔和醛发生三分子的 耦合反应，生成一个四取代烯烃的烯丙醇i s l 。 双炔和含氢的硅烷的加成提供了一个合成双烯基硅烷的有效途径。反应梳理 包括：s i h 的氧化加成、炔烃的甲硅烷基金属化、炔烃的插入、和c h 键的还原 瀵去。双炔和含氢的乙基硅烷发生反应生成双环硅杂的环戊二烯( 翻1 - 3 5 ) t s 2 。使 用碘代的烯烃和炔发生此类加成反应还可以合成螺环的环戊二烯的衍生物。 + h s i r 3 2 s 娲兰寰广 划 炔烃和烯酮结构中的烯键发生的加成反应比较常见，可以在有机锌以及有机 锡的存在下反应。它们在分子蠹的加成可以合成取代基高选择性的连接在烯键位 置上的丫，6 一不饱和酮，在进行分子内加成的时候，如果有三苯基膦来提供可供消 去的p 。h ，会产生氢替代z n - l 式剂上的烷基加成到双键上的产物( e q1 - 3 6 ) t 5 3 1 。 r 1 、r 2 + r 3 2 z n 嚣3 = e l r 2 醇 自从r e p p e 发现n i 催化乙炔的低聚成环反应以来，n i 催化的多组分环化反应 受到了很大的重视，金属环状态被证实是重要的巾闻体。在【2 + 2 + 2 】反应中，其 枫理同样是氧化环化生成金属五元环、不饱和基团的插入、以及消去还原，最终 得到六元环的产物【5 4 1 。 第一章前言 但是这种三分子加成环化的反应有着共同的局限性就是加成过程中的选择 性不好。在许多分子内加成反应中，对一个炔基加上不同的加成基团是不能够得 到产物的。但如果是相同的基团，那反应就能很好进行。i k e d a 由此发现了一种 合成环状烯酮的好方法( e q1 - 3 7 ) t 斓。 m e 3 a i , n i ( a c a c ) 2 + r 1 丽丽r e 唾1 - 3 7 1 2 4n i 的烯烃络合物发生的环化反应 n i 的烯烃络合物同样也是在催化反应中有着广泛地应用。其中，一类反应 就是以镍的烯烃络合物与另一不饱和基团的氧化环化为起始步骤，形成五元含金 属的环状物中闻体来进行下一步反应。其制备通常跫通过在配体的存在下与其他 的零价镍络合物发生配体交换或者用z n 单质还原= 氯化镍来制得。 在烯烃与爝烃豹藕合反应中，零价主要是通过形成五元环状物以氧化环优 的过程转化成二价镍的。但是在有些反应中却不同，例如生成四氢呋喃取代物的 反应就是通过与氧原予的【2 + 2 + l 】环加成丽得到的产物( e q1 - 3 8 ) p 6 】。 由n i ( c o d ) ( b i p y ) e ql 一3 8 砭 _ _ - - - _ 。- 4 7 通过【3 + 2 】反应直接与金属环化，形成五元环过渡态而生成产物的反应也很 多。环丙烷基烯烃与其他烯烃发生环化反应生成环戊烷基烯烃的反应就属此类 ( e q1 3 9 ) 登霹。环丙烷基烯烃与供电子的烯烃生成螺环状的中闻体，环丙烷开环， 接着发生还原消去反应得到产物。 第一章前言 e 一型唑- r 2 r 1 r 1 f a1 - 3 9 + 还原环化反应是同样使用到五元含金属的环状物中间体。结构对称的烯酮化 合物，n i ( c o d ) 2 、丁基锂、二氯化锌在两个烯酮的p - 碳上进行分子内加成得到双 环产物( e q1 - 4 0 ) 5 引。 r 1 r 1 翟鉴置嚷c 。， - - - - - - - - = e q1 - 4 0 p 诲 1 , 6 双烯同样也可以进行分子内反应得到五元环的产物，这一反应的机理同 样是烯的金属氢化、环化、p h 的消去( e q1 - 4 1 ) 5 9 1 。这一反应可以用来合成一系 列的碳环或者是碳杂环的化合物。 n i b r ( c h 2 = c h 2 ) 】2 ，r 1 3 p 8 l j e q1 - 4 1 另外，n i 催化的烷基锌试剂参与烯烃与碘代烷的环化反应是一种已经得到广 泛应用的方法。这个反应的机理中并不存在n i 与烯烃的络合物形成，数据显示它 所进行的是一种自由基环化的机理( e q1 - 4 2 ) 6 0 。 气。r + 娥置， 第二章反应研究 第二章反应研究 2 1 镍催化有机硼酸与p 不饱和羰基化合物的共轭加成反应研究 2 1 1 立题意义 苯硼酸系列物，由于其良好的稳定性，作为分子肉弓l 入苯环的常用底物， 直以来都为化学家所青睐的优良试剂。尤其是在金属r h ，p d 催化下对a ，p 不饱 和羰基纯合物盼共轭加成反应已经取得7 满意蕊研究成果，已经成为构筑碳碳单 键一种新的有效方法。但是在一系列偶联、加成反应中表现不俗的n i 催化剂却 并没有被引入该反应中。由于镍催化剂价格低凛，便于日常豹使用和工业化。因 此能够找到合适的镍催化剂催化此类反应，无论是在理论研究方面或者是扩大该 反应的应用空间，都有着重大意义。 2 1 2 基本反应体系的确定 依照基本试验步骤，首先对以m v k 和苯硼酸为基本底物的反应体系进行了 催化剂、反应温度等各种条件的确定。 综合以上一系列优选条件，确定最基本的反应体系为( e q2 一1 ) ： n i c l 2 ( p p h 3 ) 2 p p h 3 f e _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ 一 稚。9 0 , t o l u n e ：d m a c 2 0 h r s e q 2 - 1 底物：苯硼酸6 m m o l ；m v k2 m m o l 催化剂：n i c l 2 ( p p h 3 ) 20 2 m m o l 还原剂：活化f e 粉2 m m o l 添加剂：k 10 4 r e t o o l ：p p h 30 2 m m o l 溶荆：甲苯1 0m e ；d m a c5m l 反应温度：9 0 8 0 + 一 h o o 第二章爱应研究 反应时间：2 0 小时 产物收率：8 0 首先选择底物方面，挑选有代表性的、易得的苯硼酸和m v k ( i t i 基乙烯基酮) 进行研究。 催化剂经过一系列的比较，最后选用三苯基膦氯化镍效果最好。 还原剂选用活化铁粉，能够还原产生低价镍，催化反应的进行。 添加剂碘化钾的加入，是由于碘负离子对低价态的n i 有稳定作用，能够大 大加强催化效果，三苯基膦的加入也是为了加强n i 催化剂的催化效果。 溶剂方葱单使震晕苯，苯硼酸和催化帮都不溶，反应效果不好；选择使用混 合溶剂，极性较大的d m a c 可以很好的溶解催化剂和苯硼酸，形成均相溶液， 便于反应豹进行，再加入极性较小的甲苯调节溶剂的极性，使褥反应很好的进程。 反应温度确定在9 0 是因为在此温度下苯硼酸的活性比较好而且不容易分 解。 对于反应时闯的确定，由于底物m v k 的沸点眈较低，丽溶剂d m a c 的极 性大，沸点也高，对于体系的跟踪检测比较困难。所以就分别选取的有一定时间 差的反应时闻的体系进行看处理，计算产率后进行比较。 2 1 。3 底物之芳基硼酸的范围拓展 在以苯基本体系的反应取得良好收效以后，我们针对反应底物作进一步的拓 展研究。首先是针对底物苯硼酸傲了一系列的拓展，考虑使用苯环上连有不同取 代基芳基硼酸，或者使用一些比较容易制备和纯化的硼酸酯进行反应的尝试。 2 1 3 1 取代硼酸的拓展实验 我们选取了苯环上不同位置含有不同取代基的芳基硼酸进行实验，反应式及 条件觅( e q2 - 2 ) ，结果如下( 表2 1 ) ： 9 o h + u 0 一 第二章爱痰臻究 默表率可以看出，依照苯瓣酸的反应条件，各底耪反度后都褥到对应的产物。 但是从取代基对反应的影响方耐，并没有发现一定的规律性。但还是无取代基的 苯硼酸产率最好。 2 1 3 。2 苯硼酸醚馋势底物的尝试 由于硼酸的制备、分离、纯化并不容易，假如相应的硼酸酯也能发生l ，4 。 翔成酶话，那将有穰大盼意义。按照如下方法褥刘苯硼酸酯( 醍2 3 ) ，进行尝试 后发现未有反应发生。 第二章反应研究 b 三3 2 1 4 底物之二a , 1 3 不饱和羰基化合物的拓展 在此反应的基础上，由于m v k 的结构比较典型，影响因素比较少，所以进 一步选取其他一些具有代表结构的化合物进行反应的尝试。 2 1 4 1 各种较常见伍，b 不饱和羰基化合物的尝试 酋先，选取凡类结构比较简单，常见易褥的化合物替代m v k 佟必底物，进 行实验尝试，并根据不同的实验情况对反应条件做部分的调整，以求达到更好的 实验髑的。 表2 - 2 伐，多不饱和羰基化合物的初步拓展 t a b l e2 - 2d e v e l o po fd i s v e r s ec o m