（有机化学专业论文）有机反应中二价钯催化循环的研究.pdf

有机反应中二价钯催化循环的研究中文摘要 有机反应中二价钯催化循环的研究 中文摘要 本论文工作是在前工作的基础上，围绕着二价钯催化的反应中p h 消除的抑制及 阳离子钯物种的利用两个方面展开的，结合不同的反应启动模式及淬灭方式对烯炔环 化反应、烯基钯对羰基的插入反应及对0 c ，p 不饱和羰基化合物的共轭加成做了一系列 的探索。主要内容包括以下几个部分： 一、p d ( o a c ) 2 i m i n o p y r i d i n e 催化下氧钯化启动的炔酸烯丙酯的分子内环化 在张庆海博士的工作基础上，发现了另一类可以抑制p h 消除的配体吡啶亚胺， 并且利用它顺利完成了以氧钯化启动，p 杂原子消除淬灭的烯炔分子内环化反应。 研究中发现，无论是对于贫电子炔酸酯还是富电子的炔酸酯，这类亚胺配体在醋酸的 反应条件下都不仅能抑制p h 的消除，同时也能稳定烯基钯中间体从而使环化反应能 顺利进行。在工作中，我们还通过当量反应对它的抑制p h 消除的作用进行了验证。 二、p d ( o a c ) 2 b p y 催化下碳钯化启动的炔酸烯丙酯的分子内环化反应 以联吡啶为配体，在醋酸钯催化下，利用芳基硼酸以碳钯化的方式启动，结合p 杂原子消除的淬灭方式对分子内烯炔环化反应进行了研究。反应的最高产率为5 2 ， 在反应中存在着两个不利因素：( a ) 底物对碱的不稳定性与碱有利于芳基硼酸转金属 化之间的矛盾；( b ) 体系中不易抑制的零价钯的形成。正是由于这两个不利因素使得 反应的产率不能令人满意。因此，只有解决好了这两个问题反应才有希望得到所期望 的结果。 三、阳离子钯催化下碳钯化启动的烯基钯对碳基的加成 利用双膦配体稳定的阳离子钯 d p p p p d ( h 2 0 ) 2 】( 0 t f ) 2 实现了碳钯化启动的烯基钯 对羰基的亲核加成，最高产率可达9 6 ，并且以p d ( c f 3 c o o ) 2 b d p p 体系实现了反应 的不对称催化，最高可达9 2 的e e 值。在这个反应中底物类型和阳离子钯物种的选 中文摘要有机反应中二价钯催化循环的研究 择是至关重要的。在同样的反应条件下，富电子的底物不能得到环化结果，而中性的 醋酸钯催化剂也不能有效地催化该反应。 四、p d ( o a c ) 2 i m i n o p y r i d i n e 催化下芳基硼酸对仅，p 一不饱和羰基化合物的m i c h a e l 加成反应初探 以p d ( o a c ) 2 i m i n o p y r i d i n e 为催化体系研究了芳基硼酸对e c ，p 一不饱和羰基化合物 的m i c h a e l 加成反应，结果表明，反应体系中必须加入醋酸反应才能进行，最高产率 为6 2 。通过已有的文献结果及实验结果比较，我们认为双氮配体的选择除了要考虑 反应中抑制p h 消除的问题，同时要考虑到配体对钯中心所产生的电子效应的影响。 反应中要考虑降低钯中心的电子密度即要增强钯配合物的l e w i s 酸性。 关键词：氧钯化，碳钯化，p 一杂原子消除，阳离子钯，m i c h a e l 加成，羰基的1 ， 2 加成。 作者：宋娟 指导教师：陆熙炎研究员 沈琪教授 l l 有机反应中二价钯催化循环的研究 英文摘要 t h es t u d i e so np a l l a d i u m ( h ) c a t a l y t i c c y c l e si no r g a n i cr e a c t i o n s a b s t r a c t b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r ki no u rg r o u p ，t h et h e s i sc e n t e r e do nt h ei n h i b i t i o no f d he l i m i n a t i o na n dt h eu s eo fc a t i o n i cp a l l a d i u mc o m p l e x e si np d ( i i ) - c a t a l y z e dr e a c t i o n s c o m b i n e dt h ed i f f e r e n ti n i t i a t i o nm o d e l ( a c e t o x y p a l l a d a t i o na n dc a r b o p a l l a d a t i o n ) w i t h d i f f e r e n tq u e n c h i n gm e t h o d s ( 1 3 - h e t e r o a t o me l i m i n a t i o na n dp r o t o n o l y s i s ) ，t h er e s e a r c h w a sf o c u s e do nt h er e a c t i o n so fc a r b o c y c l i z a f i o no fe n y n e ，c y c l i z a t i o no fa r o y l m e t h y l 2 - a l k y n o a t e sa n dm i c h a e la d d i t i o no f 仅，p 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 t h et h e s i si s c o n s t i t u t e db yf o u rp a r t s ： ( 1 ) p d ( o a c ) 2 i m i n o p y r i d i n ec a t a l y z e d i n t e r m o l e c u l a r c a r b o c y c l i z a t i o n o f e n y n e i n i t i a t e db ya c e t o x y p a i l a d a t i o n b a s e do nt h ew o r ko fd r z h a n gq i n g h a i ，w ed i s c l o s e da n o t h e rk i n do f l i g a n d - i m i n o p y r i d i n ew h i c hc o u l dh e l pt or e a l i z et h ei n t r a m o l e c u l a rc a r b o c y c l i z a t i o no f e n y n ei n i t i a t e db ya c e t o x y p a l l a d a t i o n t h ep r e s e n c eo fi m i n o p y r i d i n el i g a n d sm a d et h ep d c o o r d i n a t i v e l ys a t u r a t e da n dt h ep - h y d f i d ee l i m i n a t i o nn o ts of e a s i b l e f u r t h e r m o r e ，t h e c o o r d i n a t i o no fi m i n o p y r i d i n el i g a n d st op di n c r e a s e dt h ee l e c t r o nd e n s i t yo fp d ，r e s u l t i n g i ni n c r e a s i n gs t a b i l i t yo ft h ec - p db o n dt o w a r d sp r o t o n o l y s i s t h e s er o l e sh a db e e n c o n f i r m e db yas t o i c h i o m e t r i cr e a c t i o n ( 2 ) p d ( o a c ) 2 b p yc a t a l y z e di n t r a m o l e c u l a rc a r b o c y c l i z a t i o no fe n y n ei n i t i a t e db y c a r b o p a u a d a t i o n a n o t h e rs o r to fi n t r a m o l e c u l a r c a r b o c y c l i z a t i o n o fe n y n ew h i c hi n i t i a t e d b y c a r b o p a l l a d a t i o ni nt h ep r e s e n c eo fp d ( o a c ) 2a sc a t a l y s ta n db i p y r i d i n ea sl i g a n dw a s s t u d i e d t h ev i n y l p a l l a d i u mi n t e r m e d i a t ew a so b t a i n e db yt h ea d d i t i o no fa r y l b o r o n i ca c i d t o a l k y n ea n dq u e n c h e db y 1 3 - h e t e r o a t o m ee l i m i n a t i o na f t e rt h ei n s e r t i o nt od o u b l eb o n d t h er e a c t i o ng a v et h et a r g e tp r o d u c ti nm o d e r a t ey i e l d ( 5 2 ) a f t e ro p t i m i z e d t h er e a s o n s f o ru n s a t i s f a c t o r yr e s u l tw e r e ：( a ) t h es u b s t r a t ew a sn o ts t a b l ee n o u g hu n d e rt h er e a c t i o n c o n d i t i o n ( b ) t h ef o r m a t i o no fp d ( o ) i i i 英文摘要 有机反应中二价钯催化循环的研究 ( 3 ) c a t i o n i cp a l l a d i u m ( i i ) 一c a t a l y z e d e n a n t i o s e l e c t i v e c y c l i z a t i o n o f a r o y i m e t h y l 2 - a l k y n o a t e s w ed e v e l o p e dac a t i o n i cp a l l a d i u m ( i i ) - c a t a l y z e da d d i t i o no fv i n y l p a l l a d i u ms p e c i e st o k e t o n e su n d e rm i l dc o n d i t i o n s 谢t he x c e l l e n ty i e l d ( u pt o9 6 ) t h ev i n y l p a l l a d i u m i n t e r m e d i a t e sw a sg e n e r a t e db yt h ec a r b o p a l l a d a t i o no fa l k y n e st r i g g e r e db yt h ea d d i t i o no f a r y l b o r o n i ca c i d s f u r t h e r m o r e ，t h ea s y m m e t r i cv e r s i o no ft h i sc a s c a d ec y c l i z a t i o nw a s a l s or e a l i z e du s i n gp d ( c f 3 c o o ) 2 b d p pa sc a t a l y s t t h ee ev a l u e so ft h ep r o d u c t sw e r eu p t 09 2 w ef o u n dt 1 1 a tt h ec h o i c eo fs u b s t r a t e sw i t he l e c t r o n d e f i c i e n tt r i p l eb o n d sa n d c a t i o n i cp a l l a d i u mc a t a l y s t sw e r ec r u c i a lf o rt h er e a c t i o n t h i sc a s c a d er e a c t i o np r o v i d e d a ne f f i c i e n tw a yf o rt h ec o n s t r u c t i o no fo p t i c a l l ya c t i v eh y d r o x y l a c t o n e s ( 4 ) p d ( o a c ) 2 i m i n o p y r i d i n ec a t a l y z e da d d i t i o no fa r y i b o r o n i ca c i dt oq ，p u n s a t u r a t e d c a r b o n y lc o m p o u n d s t h er e a c t i o ng a v em o d e r a t ey i e l d ( 6 2 ) w h e np d ( o a c ) 2w a su s e da sc a t a l y s ta n d i m i n o p y r i d i n ew a su s e da sl i g a n d t h ea d d i t i o no fa c e t i ca c i d w a sn e c e s s a r yf o rt h e r e a c t i o ns y s t e ma n dt h ei n s u f f i c i e n tl e w i sa c i d i t yo fp a l l a d i u mc o m p l e xm i g h ta n s w e rf o r t h eu n s a t i s f a c t o r yr e s u l t k e yw o r d s ：p d ( i i ) ，a c e t o x y p a l l a d a t i o n ，c a r b o p a l l a d a t i o n ，1 3 - h e t e r o a t o m e l i m i n a t i o n ， c a t i o n i cp a l l a d i u m ，m i c h a e la d d i t i o n ，1 , 2 一a d d i t i o no fc a r b o n y lc o m p o u n d i v w r i t t e nb y s o n gj u a n s u p e r v i s e db yp r o f l ux i y a n p r o f s h e nq i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：枷日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名 导师签名 e l 期：塑2 ：丝：多 日 期： 有机反应中二价钯催化循环的研究 前言 1 上一j l 刖百 自1 8 2 8 年，w o h l e r 合成了第一个有化合物一尿素以来，有机化学渗透了人们 生活的每一个角落。无论是在工业、农业、医药或军事上，有机合成化学都显示了无 比的威力。有机合成化学的发展使人们由被动地依赖于从自然界中获取天然材料变成 主动地合成出符合自己需求的材料。因此，在过去的几十年中，有机合成方法学得到 了长足的发展，以致于化学家们可以宣称没有不可以被合成的目标分子【l 】。然而，由 于资源的匮乏、人口的膨胀、环境的恶化等问题，人类的生存环境日益受到威胁，因 此如何提高合成效率，节药能源，减少环境污染成了化学家们所面临的新挑战。当前 化学家们的首要任务就是要寻找高效、温和、环境友好的合成策略。 一个有效的合成不仅应具有高度的选择性( 化学选择性、区域选择性、立体选 择性以及对映选择性) ，而且应有良好的原子经济性，即最大限度地将原料中的原子 转为产物【2 1 。现代金属有机化学就是在这种迫切需要下应运而生，并成为现代有机合 成中最活跃的领域之一f 3 5 】，过渡金属催化的有机反应已被公认为是一种实现高效率 合成的重要手段【6 - 9 1 。在过渡金属催化的有机反应中，通过改变过渡金属和与之络合 的配体，可以从空间和电性上调控催化剂活性，这为实现反应的多样性、高选择性和 原子经济性提供了可能。因此，正如n e g i s h i 所说的，在现在要想完成一个复杂分子 的多步合成，不使用有效和高选择性的金属有机化合物不但是不明智的而且几乎是不 可能的【1 0 1 。 金属催化的有机反应可以用一个简略的概括来描述( s c h e m e1 ) 1 1 1 1 。图中m 为 中心金属原子，l 为配体，a 和b 为反应底物。金属络合物催化剂首先与反应底物a 配位来活化或稳定有机分子底物，再与底物b 配位，然后进一步发生反应得产物a b ， 同时催化剂再生。其中配体l 可以调节中心金属的电子密度，控制中心金属可用的 价轨道的数目和对称性，同时为有机反应提供了一定的反应环境。这种不同的电子效 应及空间环境对反应的活性及选择性的影响是极其重要的。 前言有机反应中二价钯催化循环的研究 s c h e m e1 从以上的这个循环中我们不难看出，金属有机反应包括了以下三个关键步骤： 1 碳金属键的形成； 2 碳金属键的反应； 3 碳金属键的淬灭 然而这貌似简单的三个步骤中所涉及的有机化合物的反应类型却是极其错综复 杂的，j k s t i l l e 和a y a m a m o t o 将这些反应归纳成了四类基元反应； 4 , 5 , 1 2 - 1 4 1 配体和金属的配位与解离 m l n = = = = = ：m l n 一1 + l 当一个金属配位化合物催化一个有机反应时，首先必须与配体发生解离空出不 饱和点，然后与反应底物配位从而使底物得到活化，由于金属采用不同的杂化方式， 并且配体的空间结构与电子效应的不同，使得底物与中心金属配位时存在着立体空间 上的差异，这对反应的立体选择性起着至关重要的作用。 2 氧化加成和还原消除 m l n + a b o x i d a t i v ea d d i t i o n r e d u c t i v ee l i m i n a t i o n a l 厂m ：b 氧化加成是指过渡金属通过弱化a b 键使之断裂，然后加成到中心金属上使金 属被氧化到高价态，形成碳金属键或氢金属键。其逆过程即为还原消除，金属由高 价态被还原至低价态，并且生成碳国键或碳杂原子键，这是碳金属键淬灭的主要途 径。 2 有机反应中二价钯催化循环的研究前言 3 插入反应和反插入反应 a = b l n m - r 二厂l n m a b rk l n m 一牟一r ：a b 吉 插入反应是指有机分子的多重键插入到m r 键中，开成新的金属有机中间体的 过程。这一过程是金属有机中间体m r 键转换的重要途径，尤其是过渡金属参与的 分子内环化反应中插入反应是非常重要的步骤。插入反应的逆过程即为反插入反应， 其中最重要的是p 一消除反应。必须强调的是发生p 一消除的必要条件是中心金属必须 有空的配位点，同时被消除的原子或基团必须与c p d 键处于顺式共平面的位置。 4 和金属配位的配体的反应 l 厅一m a +n u - 一l 一m a n u l 百一m a +e l 一m a e 这类反应常见的有烯烃、炔烃或一氧化碳等分子的多重键与金属中心配位后受 到活化，再接受外来亲核或亲电试剂的进攻，这个过程同样也可以产生或淬灭碳金 属键。 导向有机合成的金属有机化学( o m c o s ，o r g a n o m e t a u i cc h e m i s t r yd i r e c t e d t o w a r d so r g a n i cs y n t h e s i s ) 就是基于这些金属有机化合物的基元反应，围绕着碳一金 属键的产生，转换和淬灭并得用过渡金属的立体模板作用来设计各种各样的高选择性 反应，并将其应用于复杂的有机分子的选择性合成。因此，这四类基元反应是我们确 定设计，研究和开发新的合成方法思路时的理论基础。有了这个基础，我们才能去考 虑该怎样形成碳一金属键，并且怎么通过对配体的调控使之产生专一性的空间结构等 在筮 寸。 在过渡金属催化的有机反应中，钯由于其独特的催化特性而受到许多化学研究 者的关注。钯能催化许多形成新的碳碳键的反应，如我们熟知的钯催化的h e c k 、 k u m a d a 、s t i l l e 、s u z u k i 、n e g i s h i 、h i y a m a 、s o n o g a s h i r a 、t r o s t - t s u j i 反应等f 1 5 之3 1 ， 因此在这类反应中很少有其它的过渡金属的催化性能能与钯相媲美。由于钯催化的反 应具有较强的底物官能团兼容性，并且钯对氧和水都不是非常敏感。因此钯是目前过 渡金属的研究中发展最为迅猛的金属之一【2 4 2 6 1 。 前言有机反应中二价钯催化循环的研究 在有机合成中，钯催化的反应被分成了两类，即二价钯催化的反应及零价钯催 化的反应。虽然p d o 和p d 物种都能与不饱和化合物形成兀一配位键( s c h e m e2 ) ，但由 于两者有着完全不同的电子效应，因而在反应性质上表现出明显的差异船刀，这种差异 最直接的体现就在于反应起动时形成碳一钯键的方式的不同。 m e t a ldt oo l e f i n 矿( b a c kd o n a t i n gb o n d ) o l e f i n - 兀t om e t a ld ( a ，a - c o o r d i n a t eb o n d ) c h a t t - d e w a r - d u n c a n s o rm o d e l 钯与碳一碳重键( 例如：烯烃) 的配位 s c h e m e2 零价钯是富电子物种，它与不饱和烃配位后，d 轨道电子向不饱和烃的7 c 拳轨道的 电子反馈能力很强，使得不饱和烃的电子密度增大，从而不易接受亲核试剂的进攻。 但它的富电子性使其具有一定的亲核性，可以对烯基、芳基卤化物等进行亲核进攻发 生氧化加成反应形成二价钯物种乜5 舯钔。这是零价钯催化的反应中最为典型的碳钯键 形成方式。二价钯是贫电子物种，当它与不饱和键配位时，不饱和烃的j i 电子供给 钯的空d 轨道，从而使不饱和烃的电子云密度降低。同时，钯的d 轨道电子能够反馈 给不饱和烃的氕木轨道，降低了不饱和烃的尢键的强度，使得不饱和烃容易接受亲核试 剂的进攻乜卜2 朝，这就是二价钯催化的反应中最为常见的亲核钯化的启动方式。而最近 的研究表明，p d l l 催化的有机反应有着更为灵活的起动方式，除了常见的亲核钯化， 转金属啪3 及碳一氢键活化m 啦3 也是非常有用的形成烯基或芳基钯键的方式( s c h e m e3 ) 其中碳一氢键活化的起动方式由于其原子经济性在最近一段时期备受人们的青睐。 4 有机反应中二价钯催化循环的研究前言 p d 催化的反应中烯基或芳基钯的成键方式： 广- 面品蒜h d n u = x ，r c 0 0 n ，c 以。2 + 眦 t r a n s m e t a l a t i o n c ha c t i v a t i o n 刚x + x b ( o h ) 2 刚x s c h e m e 3 碳- 钯键的反应是多种多样的，主要可以概括为以下三个方面( s c h e m e4 ) - 1 ) 与钯配位的不饱和化合物( 烯烃、炔烃、一氧化碳、二氧化碳等) 对碳钯键的插入 反应；2 ) 在p d l l 物种的配体上发生反应，生成新的碳钯键；3 ) 与其他金属化合物 发生金属交换反应，或配体的交换。 1 插入反应 j 广。 a = b 2 配体的反应 n u 一、 2 r - p d _ x l n a ，d - i n s e r t i o n x p d y ii a b n u n u c l e o p a a d a t i o n 金属交换或配体交换 r 。m l r a n s r n e t a u a t i o n 、 - r - - 尸kd l x n o i i i ，c r 古d 矿l n n u c l e o s u b s t i t u t i o n l n u o u r 八p d x 厶l n u y r 一星? + m x r p d i 夏磊i i i 丽r 一、 p d + x s c h e m e4 在最后一步c - p d 键的淬灭中，研究最多也最常见的有如下两种( s c h e m e5 ) ：( 1 ) p h 消除，发生p h 消除的有两个必备的条件，那就是c - p d 键1 3 位有顺式共平面的 氢存在，同时钯上有空配位。p h 消除后得到烯烃产物【3 4 】；( 2 ) 还原消除，是氧化加 成的逆反应，能形成新的c - c ，c h ，c o ，c - n 键。这两种方法最后都是生成p d ( o ) 。 前言 有机反应中二价钯催化循环的研究 结合前面所提到的生成c p d 键的氧化加成方式，就完成了p d ( o ) 催化循环，这也许是 p d ( o ) 催化的反应研究较多的缘故之一。 p he l i m i n a t i o n ： n 似一 西似】一 h 引一i 唑刚 x 【p d 】一刚+ ，、ix = c ，h 0 ，n 。p 等 u s c h e m e5 综合所有钯催化的有机反应，其反应模式可以归纳为以下四类( s c h e m e6 ) ，然 而正是由于碳钯键的淬灭往往是按照d h 消除和还原消除两种方式进行，最后都生 成零价钯。因此，大多数报道的钯催化反应主要以p a t ha 和p a t hc 两种模式进行。 零价钯启动催化的反应( p a t ha 和p a t hb 两类) ： p a t ha ：p d ( o ) 启动，p d ( o ) 淬灭： p d ( o ) 【p d l j ( 2 ) 1 p a t hb ：p d ( o ) 启动，p d ( i i ) 淬灭： c p d 键的反应 c p d 键的形成 c p d 键淬灭 6 【p d i ( 1 ) 】 【p d i i ( 1 ) 】 l c p d 键的反应 fp d j i ( 2 ) 】 f划唧刮呲 有机反应中二价钯催化循环的研究 二价钯启动催化的反应( p a t hc 和p a t hb 两类) ： p a t hc ：e d ( i i ) 启动，p d ( 0 ) 淬灭： p a t hd ：p d ( i i ) 启动，p d ( i i ) 淬灭： c - p d 键的形成 c - p d 键淬灭 p d ( 1 1 ) fp d fj ( 2 ) 】 f p d l l ( 1 ) 】 1 c p d 键的反应 【p d l l ( 2 ) 】 c p d 键的反应 s c h e m e6 【p d l l ( 1 ) 】 从以上的反应模式中我们可以看出，在零价钯催化的反应中，反应过程中都有一 个p d o p d l l 的氧化还原过程存在。如果我们能实现一个真正两价钯催化的反应( p a t h d ) ，那么我们不但避免了p d o p d l l 的氧化还原过程，同时也无需加入当量的氧化剂， 这对提高反应的原子经济性，简化反应体系以及增加底物宫能团的兼容性都有着重大 的意义。 近十几年来，我们小组一直致力于两价钯催化反应的研究。结合两价钯的启动方 式，对以p d l l 的方式淬灭c p d 键进行了仔细的研究。对于c p d 键的形成这一步，我 们以烯基钯中间体为切入点，开展了对炔烃亲核钯化的方法学的研究，其中主要有： ( 1 ) 卤钯化【3 5 5 0 】；( 2 ) 氧钯化陆5 8 】；( 3 ) 氮钯化【5 9 石o 】；( 4 ) 碳钯化。最近，我们又开 始研究利用芳基硼酸以转金属的方式起动二价钯的反应并取得了一定的结果 ( s c h e m e7 ) 【6 1 击3 1 。 亲核钯化启动的反应： n u 、 n u 、 曼_ k 气 i ” 砌 7 m 嘶l嘶 p回p 前言 有机反应中二价钯催化循环的研究 ( 1 ) 卤钯化： ( 2 ) 氧钯化： ( 3 ) 氮钯化： ( 4 ) 碳钯化： r f | | l 弘。j 。 p d i i - x - 儆川 r p d li 人o x = 0 a c 。 刚i t s r 告 歇创 r v c e 2il 屺刖l 芳基硼酸转金属启动的反应： p h b ( o h ) 2 加p d x 刚x 广u s c h e m e 7 结合以上的这些启动方式，我们小组利用过量的卤离子或联吡啶为作为配体成 功地以以下三种方式淬灭了碳。钯键并且再生p d ( s c h e m e8 ) ：( 1 ) c p d 键的p 杂原 子消除 3 5 - 3 7 , 5 0 , 5 4 】，这类反应里d 杂原子消除是以反式消除的方式进行的。( 2 ) c p d 键 的质解 4 7 - 4 9 , 5 1 , 5 2 , 6 0 】，这种情况是在c p d 键的邻位有羰基时存在，由于形成烯醇钯中间 体，在酸质子作用下进行质解释放出p d ，这部分工作完全是由我们小组发展起来的； ( 3 ) 氧化断裂【3 9 , 4 1 , 4 4 , 4 5 1 ，这里c p d 键的淬灭后生成c x 键( ) ( = c 1 ，b r ) ，其构型保持。 8 有机反应中二价钯催化循环的研究 前言 值得强调的是，在控制c p d 键的淬灭时，过量的卤离子或双氮配体起着非常关键的 作用，它们可以抑制b 一氢的消除，使反应以两价钯的方式淬灭。 x 上r 1 夕毒 x s c h e m e 8 在最近的研究工作中，另一类值得注意的淬灭芳基钯同时再生二价钯的方式是： 使芳基钯与碳杂原子多重键发生加成反应，这样在生成新的碳碳键的同时淬灭了碳钯 键，经质解后再生二价钯( s c h e m e9 ) 1 6 1 - 6 2 。 o p d x r 八h r 、，p d v 上 p h 、r p d - - n r 3 p h 士尽2 r 1 p d 、n l f p h 入r s c h e m e 9 本论文就是在以前工作的基础上，围绕碳钯键的形成、反应和淬灭这三个步骤， 分别就不同的启动方式( 氧钯化、碳钯化) 结合不同的淬灭方式( p 一杂原子消除、质 解、与羰基的加成) 对两价钯催化的反应进行了深入的研究。 9 门i i i l j r尹 d 啾 一扛 第一章 有机反应中二价钯催化循环的研究 第一章p d ( o a c ) 2 i m i n o p y r i d i n e 催化下氧钯化启动的炔 1 1 前言 酸烯丙酯的分子内环化 0 【- 亚甲基- p 丁内酯的结构单元广泛存在于天然产物中，由于许多含有该结构单 元的光学活性的天然产物具有重要的生理活性因而备受人们的注目【矧，对于这类化合 物的合成有着不少相关的报道( s c h e m e1 0 ) 。到目前为止，主要有两种途径：一是从 p 丁内酯出发进行0 c 一亚甲基化，另一条途径则是带官能团的开链前体的环化嘲。 澎。 铲历。 7 。 吖一舟。 。e q g 。 s c h e m e1 0 近年来随着过渡金属催化在有机合成中应用的不断深入，出现了许多利用过渡 金属催化的分子内烯炔、双烯或双炔的环化反应，为环状化合物的合成提供了很多的 方法f 围。我们小组就是在二价钯催化下，利用分子内的烯炔偶联生成了一系列的丫 丁内酯类化合物( s c h e m e1 1 ) 3 5 , 5 4 , 5 5 a 6 7 石9 1 。 1 0 有机反应中二价钯催化循环的研究 第一章 r 坠厂 y r 但是，对于钯催化的反应来说，这种烯丙基炔酸酯底物有着一些独特的特点 ( s c h e m e1 2 ) 。首先，由于零价钯能使烯丙酯中的烯丙基碳氧键断裂而形成兀烯丙基金 属络合物( s c h e m e1 2 ，a ) 2 4 , 7 0 】，因此，在设计这一催化反应的时候，必须避免使用零 价钯。其次，t r o s t 小组发展的烯炔环异构化反应表明，如果使用p d h 物种催化反应， 则有可能会发生碳碳叁键的异构化反应( s c h e m e1 2 ，h ) t 7 1 。7 3 】，因而p d h 物种催化该反 应显然也是不合适的。这些问题的存在都给该反应的研究带来了一定的困难和挑战。 rrr iii 业ii x 里o p d 乱xo r 。底c a ， r r ，竺。勺刚。r s c h e m e1 2 r 在最初的工作中，我们小组利用卤钯化启动，结合不同的淬灭方式( p 杂原子消 除1 3 5 、c u x 2 促进的氧化断裂反应【3 8 1 ，羰基化反应【4 刁和质解反应【4 6 4 8 】) 高效地构建了 o f , 亚甲基- y 丁内酯的结构骨架。通过当量和催化反应，王忠博士对卤离子在淬灭c - p d 键、再生两价钯的作用进行了深入的研究，发现卤离子的开关效应决定了反应中间体 c p d 键的淬灭方式【7 4 】：大量卤离子的条件下，c p d 键的淬灭是按照再生p d ( i i ) 的方 式进行的；卤离子浓度较低时，c p d 键是以d h 消除的方式进行淬灭的( s c h e m e1 3 ) 。 在这个反应体系中，卤离子不仅仅是作为亲核试剂和离去基团，同时由于卤离子的存 在，使得钯的配位饱和，从而抑制了反应中烷基钯的d h 的消除。另一面，卤离子的 浓度还影响了反应产物中环外双键的立体构型。例如，对于d 杂原子消除方式淬灭碳 钯的环化反应中，在极性溶剂中和大量卤离子存在下，环外双键可以选择性地得到z 第一章有机反应中二价钯催化循环的研究 式构型。而在卤离子的浓度较低时，贝会有相当多的由顺式卤钯化生成的双键构型为 e 式的产物【3 5 】。 上一x x r s c h e m e1 3 通过对这样一个两价钯催化的环化反应的进一步研究，我们已经能够顺利地控 制合成的0 一亚甲基- 丫一丁内酯环外双键的立体构型和1 3 ，丫位取代基的相对立体化学 ( t a b l e1 ) 。 - i a b l e1 卤钯化启动的环化反应中p ，丫位取代基的相对立体化学 p d ( ii ) - l i xx 疑x 抚r 1 由表中可以看出，我们可以通过底物丫位的手性来控制环化产物中p 位的手性。我 们小组已经利用这个方法成功地合成了一系列的天然产物，如( + ) 或 ( ) m e t h y l e n o l a c t o c i n 3 6 3 9 b 幂 p h a s e o l i n i ca c i d 【3 7 】 为了实现这个环化反应的不对称催化，朱国新博士【7 5 】，王忠博士【7 6 1 先后做了一系列 的工作。他们尝试在反应体系中加入一系列的手性配体( s c h e m e1 4 ) ，希望能实现反 1 2 勰 r # x 有机反应中二价钯催化循环的研究第一章 应的手性诱导。但无论是磷配体1 ，碳阴离子配体2 还是氧阴离子配体3 ，4 和5 ( s c h e m e 1 4 ) 。所有的努力均告失败。并且，麻生明博士曾经发现，当加入三苯膦配体时，环 化反应将被阻止。而王忠博士也发现，只有当钯与膦配体的比例为1 ：1 时，反应才可 以进行，但比较的缓慢。这样的事实说明选用常用的手性膦配体显然是不合适的。也 就是说，所选择的手性配体的配位能力不能太强，但是，它也应具有一定的配位能力。 事实上，对一个催化的对映选择性反应，如果手性配体在反应的过程中不与催化反 应的中心金属配位，就不可能诱导反应中心手性的产生。而对于配位能力太弱的配体， 如以前曾尝试的氧阴离子配体，在大量的配位能力更强的卤离子存在下，p d 0 络合 物将会完全被取代而开形成p d x n ( x 为卤离子) 型的络合物。因而也就不可能有手性 诱导的效果。 i 。广阶 p d ( o a c ) 2 。l i b r b r h o a c p p h 2 o m e 擀辽 2 h o y c 0 2 h o 、c 6 2 4 扣 悯丫c 东 m e o 、c 6 2 35 s c h e m e1 4 然后张庆海博士又尝试使用双氮配体6 和7 ( s c h e m ei s ) ，但效果还是很不理想。 当使用b i s o x a z o l i n e 配体7 时不但产物的e e 值几乎为0 ，反应速度也变得比较的缓慢 【7 7 】。这些实验事实说明加入配位能力稍强的配体会极大地影响反应的顺利进行。 嚣，嚣 第一章有机反应中二价钯催化循环的研究 。广b 警 渖l ，。己 ( s js ) 一i p b o x a x 6 鼽 i c o = 0 3 3 0 p 蝴 s c h e m e1 5 那么是什么原因导致了失败呢? 考虑到在我们的反应体系中存在着大量的卤离 子，而卤离子和钯也有较强的配位作用。因此大量卤离子的存在势必会影响到外加的 手性配体和钯的配位。反过来，从前面的实验事实中，我们也可以得出结论：强配位 作用的配体也可能会改变钯催化剂的性能，从而影响到反应的顺利进行。也就是说， 这种影响是相互的。为了解决这些问题，张庆海博士开始考虑在反应中去掉卤离子， 用其它弱配位的亲核试剂来代替卤离子进行炔烃的亲核钯化，但同时必须要找到合适 的配体起到卤离子抑制d h 消除的作用，从而完成两价钯的催化循环实现烯炔的分子 内环化。经过努力，最终他以醋酸根代替卤离子作为亲核试剂以乙酰氧钯化启动反应， 并以2 ，2 联吡啶为配体成功地实现了以氧钯化启动的烯炔偶联 5 4 , 5 5 a 。在反应中，联 吡啶的存在是必须的，因为在氧钯化启动的反应中，醋酸根不能扮演卤离子抑制d h 消除的作用，而联吡啶正是起到了这方面的作用。根据卤钯化启动的炔酸烯丙酯的环 化反应的机理，张庆海博士提出了以下反应机理( s c h e m e1 6 ) ：反应的催化物种 p d ( o a c ) 2 和双氮配体形成的络合物与底物中的炔烃配位，然后醋酸根作为亲核试剂 立体专一地反式进攻炔烃生成烯基钯中间体i i ，再经过烯烃的插入，生成烷基钯中间 体i i i ，最后经d 一脱乙酰氧钯化反应生成产物，同时再生活性物种，完成催化循环。 1 4 有机反应中二价钯催化循环的研究第一章 1 0 s c h e m e1 6 从以上的机理中，我们可以看到作为环化反应的副反应，烯基钯中间体也有 可能在醋酸中质解，生成开链的化合物1 0 ，而且对于氧钯化启动的反应来说，这种 质解反应会更容易进行，这可能是由于乙酰氧基对炔烃亲核加成后，乙酰氧基中氧的 孤对电子对双键供电子，导致烯基钯中间体i i 中2 位碳上的电子云密度相对增大， 因而醋酸溶液中的h + 易对其进攻而得到质解产物1 0 ( s c h e m e1 7 ) 。 r 1 ，h + 能抄叭c 竺 s c h e m e1 7 1 0 同时，在研究中发现，当增大联吡啶的氮原子旁边取代基的位阻时对反应产生 了极大的影响( t a b l e2 ) 【5 5 8 1 ，产生这种影响的原因有两种可能：一种是配体位阻的增 大影响了配体对钯的配位，另一种可能是，由于配体位阻增大，使得金属中心原子钯 周围的空间比较拥挤因而导致烯烃不能有效地与烯基钯中间体配位从而影响了它对 烯基钯的插入。 第一章有机反应中二价钯催化循环的研究 t a b l e2 联- - l l 啶吡啶取代基对环化反应的影响 厂。a 警