（有机化学专业论文）过渡金属催化的偶合反应机理的量子化学研究.pdf

摘要 摘要 本论文主要工作是量子化学计算方法在过渡金属催化的偶合反应的机理研 究中的应用，主要内容如下： 第一章介绍了过渡金属催化的偶合反应和基本的金属有机基元步骤。 第二章简单介绍了量子计算方法的种类和原理。 第三到第七章是我攻读博士学位期间完成的主要工作，其中： 第三章报导铜催化的酰胺和卤代芳烃的偶合机理以及配体对催化效率的影 响。通过对体系内各种可能的铜物种的相对浓度的估算和对各个铜物种和卤代苯 发生氧化加成的研究，我们的结果表明该反应的活性催化剂是中性的 l 2 c u ( a m i d a t e ) ，由它出发和卤代芳烃发生决速的氧化加成反应。对该决速步的配 体效应的研究结果也和实验劝! 察一致。 第四章报导钯催化的脱羧h e c k 反应的机理，以及各个因素对脱羧步的影响。 我们的研究结果表明这一反应的催化循环应该是经历了四个阶段：脱羧、烯烃插 入、b h 消除和催化剂再生。脱羧是整个催化循环的决速步，在这一步里羧酸底 物上的羧基以c 0 2 形式放出，得到p d ( i i ) 一a r y l 中间体。d i s s o c i a t i v e 路径是更加 有利的，即脱羧前先离解一分子的d m s o 配体。在此基础上，我们研究了一系 列影响决速步脱羧能垒的因素，包括负离子效应，中性配体效应，羧酸底物效应 和金属中心效应，所有的结果均和实验事实吻合。 第五章报导一个新颖的铜催化的、在邻位导向基团存在下，生成m e t ac h 活化产物的反应机理。通过对几种可能的机理的研究，我们提出了一个不同于原 文中建议的，热力学和动力学上更为有利的机理：酰胺基团导向的c a r b o c u p r a t i o n 机理。在此机理路径的基础上，预测的产物区域选择性的结果和实验完全一致。 更为重要的是，我们提出的反应路径中包含了一个导向基团导向的c u ( i i i ) a r 中 间体对双键的顺式加成，这样的反应性还未有报道，它提供了一个研究c u ( i i i ) a r 中间体新的基本反应的可能性，以及它们在催化反应中的应用前景。 第六章报导有机铜试剂和烯丙基亲电试剂发生烯丙位取代反应的立体和区 域选择性机理。我们的结果表明反应的立体和区域选择性是由早期的氧化加成步 决定的，这与钯催化时还原消除决定区域选择性的共识显然不同，因而从理论上 提出了一个新的机理图像。氧化加成步中c u 上基团的不同的反位效应是造成反 应区域选择性的根源。 第七章是对一个新颖的锰催化的二羰基化合物和末端炔烃生成取代苯的反 应的机理的研究。我们提出了一个碳金属化炔烃插入分子内亲核加成的这样一 摘要 条路径，它能很好的预测反应的立体和区域选择性。该路径中，产物的区域选择 性是由碳金属化和炔烃插入共同决定的。我们对这两步中的电子和立体效应进行 了讨论。 前面3 个课题涉及3 个新发展的过渡金属催化的偶合反应的方向；第四个课 题是一个古老的，但机理上重要的一类偶合反应，我们提出了新的机理建议：最 后一个课题是一个理论与实验相结合的、对一个我们新发现的反应机理的认识的 研究。 这些研究显示了量子化学方法在过渡金属催化领域的有效性，特别是它能提 供很多实验上无法获得的信息，比如一些关键的中间体和过渡态的结构和相对能 量信息，以及这些关键的中间体和过渡态中的电子效应和立体效应对整个催化循 环的影响等。 关键词：d f t 偶合c n 键生成脱羧c h 键活化烯丙基取代有机铜环加成 i i a b s t r a c t ab s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e p o r t sas e r i e so fm e c h a n i s t i cs t u d i e so ns o m er e p r e s e n t a t i v e t r a n s i t i o nm e t a l c a t a l y z e dc r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n sb yu s i n gq u a n t u mc o m p u t a t i o n a l m e t h o d s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n g ： c h a p t e r1b r i e f l yr e v i e w st r a n s i t i o nm e t a l c a t a l y z e dc r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n sa n d r e l e v a n tp r i m a r ys t e p si no r g a n o m e t a l l i cc h e m i s t r y c h a p t e r2a i m st og i v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ec a t e g o r ya n dp r i n c i p l e so fm a i n q u a n t u mc o m p u t a t i o n a lm e t h o d s f r o mc h a p t e r3t oc h a p t e r7 ，f i v er e s e a r c ht o p i c so fm e c h a n i s t i cs t u d yo n c r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n s ，a c c o m p l i s h e dd u r i n gm yp h dp e r i o d ，h a v eb e e nr e p o r t e d c h a p t e r3d e s c r i b e sas t u d yo nt h em e c h a n i s mo fc o p p e r - c a t a l y z e dc r o s s c o u p l i n g r e a c t i o n so fa r y lh a l i d e s1 w i t h - a m i d e - s a n dt h ei m p a c to fa n c i l l a r yl i g a n d so nt h e c a t a l y t i ce f f i c i e n c y t h r o u g hr o u g h e s t i m a t eo ft h er e l a t i v ec o n c e n t r a t i o n so fp o s s i b l e c a t a l y t i cs p e c i e sa n de x a m i n a t i o no fo x i d a t i v ea d d i t i o no ft h e s es p e c i e sw i t ha r y l b r o m i d e ，w es u g g e s tt h a tt h ea c t i v ec o p p e rc a t a l y s ti san e u t r a ll 2 c u ( a m i d a t e ) s p e c i e s o x i d a t i v ea d d i t i o no ft h i ss p e c i e sw i t ha r y lh a l i d e sc o n s t i t u t e s t h er a t e l i m i t i n gs t e po f t h ec a t a l y t i cc y c l e o nt h eb a s i so ft h ep r o p o s e dp a t h w a y , t h ee f f e c to fs e v e r a l c o m m o nl i g a n d su s e di nt h ee x p e r i m e n t so nt h ec a t a l y t i ce f f i c i e n c yi se x a m i n e d ，a n d a l lt h er e s u l t sa r ei nc o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s c h a p t e r4r e p o a s o u rs t u d yo nt h em e c h a n i s mo fp a l l a d i u m - c a t a l y z e d d e c a r b o x y l a t i v eh e c kr e a c t i o n sb e t w e e nc a r b o x y l i ca c i d sa n do l e f i n s ，a n df a c t o r s c o n t r o l l i n gt h er a t e l i m i t i n gd e c a r b o x y l a t i o ns t e ph a v eb e e ne x a m i n e d t h ec a t a l y t i c c y c l ei ss u g g e s t e dt oc o m p r i s ef o u rs t e p s ：d e c a r b o x y l a t i o n ，a l k e n ei n s e r t i o n ，p h e l i m i n a t i o na n dc a t a l y s tr e g e n e r a t i o n 。d e c a r b o x y l a t i o ni st h er a t e l i m i t i n gs t e p ，i n w h i c hp a l l a d i u mc e n t e rd i s s o c i a t e so n em o l e c u l eo fn e u t r a ld m s ol i g a n db e f o r e e x t r u d i n gc 0 2t op r o d u c ea ne x p e r i m e n t a l l yi s o l a b l ep d ( i i ) 一a r y li n t e r m e d i a t e t h e e f f e c to fa n i o n i cl i g a n d s ，n e u t r a ll i g a n d s ，c a r b o x y l i ca c i d ss u b s t r a t ea n dm e t a lc e n t e r o nt h er a t e - l i m i t i n gd e c a r b o x y l a t i o ns t e pi se x a m i n e d ，p r o v i d i n gi n s i g h t f u l i n f o r m a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fm o r ee f f i c i e n tc a t a l y t i cd e c a r b o x y l a t i v er e a c t i o n s c h a p t e r 5d e s c r i b e s8 1 1 i n v e s t i g a t i o n i n t ot h em e c h a n i s mo fan o v e l c o p p e r - c a t a l y z e de x c l u s i v em e t ac hb o n da r y l a t i o nr e a c t i o no fa n i l i d e s ak i n e t i c a l l y c o m p e t e n ta m i d e d i r e c t e dc a r b o c u p r a t i o nm e c h a n i s m ，w h i c h i sd i s t i n c tf r o mt h e i i i a b s t r a c t m e c h a n i s t i ch y p o t h e s i si nt h eo r i g i n a lr e p o r t ，h a sb e e np r o p o s e do nt h eb a s i so f e x a m i n a t i o no fs e v e r a lp o s s i b l er e a c t i o np a t h w a y s t h er e g i o s e l e c t i v i t yp r e d i c t e db y t h i sm e c h a n i s mi si na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n s ，f a v o r i n gm e t a p r o d u c te x c l u s i v e l y t h ec r i t i c a ls t e po ft h i sc a r b o c u p r a t i o nm e c h a n i s mi n v o l v e sa n a m i d e d i r e c t e ds y na d d i t i o no fc u ( i i i ) - p ha c r o s sp h e n y lc 2 = c 3b o n dt og e n e r a t ea c 2 - c u p r a t e d ，c 3 - a r y l a t e di n t e r m e d i a t e s u c hr e a c t i v i t yh a sn e v e rb e e nr e p o r t e di nt h e l i t e r a t u r e ，a n dt h u so u rr e s u l t sp r o v i d et h ep o s s i b i l i t yo fa c c e s so fs u c hr e a c t i v i t y e x p e r i m e n t a l l ya n d t h e i ra p p l i c a t i o ni nc a t a l y t i cr e a c t i o n s c h a p t e r6d e s c r i b e so u rs t u d yo nt h eo r i g i no fs t e r e o - a n dr e g i o s e l e c t i v i t yo f r e a c t i o no fo r g a n o c o p p e rr e a g e n t sw i t ha l l y l i ce l e c t r o p h i l e s o u rr e s u l t ss u g g e s tt h a t t h es t e r e o a n dr e g i o s e l e c t i v i t yo ft h i sr e a c t i o ni sc o n t r o l l e db yt h ee a r l yo x i d a t i v e a d d i t i o ns t e p ，i nc o n t r a s tt ot h ec o n s e n s u so fr e l a t e dt r u j i t r o s tr e a c t i o ni nw h i c ht h e p r o d u c tr e g i o s e l e c t i v i t yi s d e t e r m i n e db yt h el a t e s t a g er e d u c t i v ee l i m i n a t i o ns t e p t h er e g i o s e l e c t i v i t yo ft h i sr e a c t i o ni sc a u s e db yd i f f e r e n tt r a n se f f e c to ft h el i g a n d s o nt h ec o p p e rc e n t e r c h a p t e r 7d e s c r i b e so u rs t u d yo nt h er e a c t i o np a t h w a yo t an e w m a n g a n e s e c a t a l y z e d 【2 + 2 + 2 】a n n u l a t i o nr e a c t i o no f1 ，3 - d i c a r b o n y lc o m p o u n d sw i t h t e r m i n a la l k y n e s ，w i t ha ne m p h a s i so nt h eo r i g i no ft h ep r o d u c tr e g i o s e l e c t i v i t y a p a t h w a yi n v o l v i n gc a r b o m e t a l a t i o n a l k y n e i n s e r t i o n i n t r a m o l e c u l a r n u c l e o p h i l i e a d d i t i o ns e q u e n c eh a sb e e ns u p p o r t e db yo u rr e s u l t s ，w h i c hc a nr a t i o n a l l yr e p r o d u c e t h es t e r e o a n dr e g i o s e l e c t i v i t yo b s e r v e di ne x p e r i m e n t s t h er e g i o s e l e c t i v i t yo ft h i s r e a c t i o ni sc o n t r o l l e db ye a r b o m e t a l a t i o na n da l k y n ei n s e r t i o ns t e p e l e c t r o n i ca n d s t e r i cf a c t o r sa f f e c t i n gt h e s et w os t e p sh a v e b e e nd i s c u s s e d t h et h r e et o p i c si nc h a p t e r3t oc h a p t e r5d e a lw i t ht h r e en e wk i n d so ft r a n s i t i o n m e t a l - c a t a l y z e dc r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n s ；t h et o p i ci nc h a p t e r6r e p r e s e n t sa l lo l d ，y e t i m p o r t a n tf i e l do fo r g a n o m e t a l l i cc h e m i s t r ya n do u rf i n d i n g si n t ot h i st o p i ci s a l s o s i g n i f i c a n t ；t h et o p i ci nc h a p t e r 7d e m o n s t r a t e st h ea b i l i t yo ft h e o r e t i c a ls t u d yo nt h e u n d e r s t a n d i n go fn e w l yd e v e l o p e dt r a n s i t i o nm e t a l c a t a l y z e dr e a c t i o n s t h e s es t u d i e st o g e t h e rd e m o n s t r a t et h ep o w e r f u l n e s so fq u a n t u mc o m p u t a t i o n a l m e t h o d si nm e c h a n i s t i cs t u d i e so ft r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y s i s t h e yc a np r o v i d e i n f o r m a t i o nt h a ti sh a r dt oo b t a i nb ye x p e r i m e n t a lm e a n s ，f o re x a m p l e ，t h es t r u c t u r e a n de n e r g e t i c so fc r i t i c a li n t e r m e d i a t e sa n dt r a n s i t i o ns t a t e s ，a n dr e l e v a n te l e c t r o n i c a n d o rs t e r i ce f f e c to nt h ee f f i c i e n c yo ft h ec a t a l y t i cc y c l e i v a b s t r a c t k e y w o r d s ：d f t , c r o s s c o u p l i n g ，c nb o n df o r m a t i o n ，d e c a r b o x y l a t i o n ，c hb o n d a c t i v a t i o n ，a l l y l i cs u b s t i t u t i o n ，o r g a n o c o p p e r , c y c l o a d d i t i o n v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 弓磷钾端 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， d 公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第一章过渡金属催化的偶合反应和基本的金属自机基e 步骤 第一章过渡金属催化的偶合反应和基本的金属有机基元 步骤 1 1 过渡金属催化的偶合反应综述 1 1 1 传统的偶合反应 传统的偶合反应是指在过渡金属( 如p d ，c u ，n i ，r u 等) 的催化下，亲 电试剂r z x 和亲核试剂r e _ m 之间生成r 1 r 2 和r n x 盐的反应( e q1 1 ) 。 t m c a t r 1 - x + r 2 娟一r 1 r 2 + m x ( 1 1 ) 其中，亲电试剂主要是芳基或烷基的卤代物( x = i ，b r ，c 1 ，f ) 或酸根， 如o t f , o t s ，o a c ，o c o o r 等；亲核试剂主要是有机金属试剂，烯烃，炔烃等。 这些偶合反应通常会根据首个发现或报导它，或对它的发展作出重要贡献的人 命名【2 】，如：k u m a d a 偶合【3 1 ，n e g i s h i 偶合1 4 ，s u z u k i 偶合【5 1 h i y a m a 偶合【6 1 和 s t i l l e 偶合f 7 】，它们所用的有机金属试剂相应的分别是：格氏试剂( r m g x ) 、有 机锌试剂，有机硼试剂( 硼烷、硼酸，硼酸脂) 、有机硅试剂和有机锡试剂( s c h e m e 1 1 ) 。 除了这些金属有机试剂，烯烃和末端炔烃也可以作为亲核试剂，与卤代芳 烃反应，生成苯乙烯衍生物或芳基取代的炔烃，它们分别被称为h e c k 反应【8 1 和s o n o g a s h i r a 反应【9 ) ( s c h e m e1 1 ) 。h e c k 反应最初由h e c k 在1 9 7 5 年报导。在 这个反应里烯烃作为亲核试剂，通常烯烃上会有一个吸电子取代基，如脂基、 腈基等。s o n o g a s h i r a 反应最初报导时，是一个p d ，c u 共催化的反应，但是近年 来也发展出了只用p d 或只用c u 的s o n o g a s h i r a 反应。 这些经典的偶合反应在有机合成、制药和天然产物制备中发挥了巨大的、 革命性的作用，越来越多的有机中间体和产物可以方便的用这些方法得到，这 些方法的发展使得全合成的技术更加成熟，许多天然产物和药物中间体的全合 成的策略也发生了重大的改变，合成的路径更短，效率更高。另外，由于这些 偶合反应能够方便地得到很多共轭芳香环或杂环的化合物，在材料科学中也得 到了广泛的应用，比如液晶材料的开发。另外在农药化学里也有重大的应用【l 】。 第一章过渡金属催化的偶合反应和基本的金属自机基兀步骤 s c h e m e1 1 传统的过渡金属催化的偶合反应 1 s u z u k ic r o s s - c o u p l i n g ： t mc a t r - x + r - b ( o r l ) 2 一 r r + x b ( o r l ) 2 2 n e g i s h ic r o s s - c o u p l i n g ： r - x + r 2 z n 二竺尘兰l r r + r z n x o rr z n x o rz n x x 3 k u m a d ac r o s s - c o u p l i n g ： r - x + r 。i g x 。 t mc a t r r + m g x x 4 h i y a m ac r o s s c o u p l i n g ： r - x + r - s i r l 3 旦堕_ + r - r + x s i r l 3 r i = o ro rf 5 s t i l l ec r o s s c o u p l i n g ： r - x + r s n r 3 一 r r 6 h e c kr e a c i i o n a r x +夕r 坠 a r 乃r b a s e 7 s o n o g a s h i r ar e a c a o n a r ? x + + x s n r l 3 + h x t mc a t 三三_ r 。_ a r 三三一r l k h x b a s e 注：t m 代表过渡金属( t r a n s i t i o nm e t a l ) ，c a t 表示催化齐l j ( c a t a l y s t ) 1 1 2 新发展的偶合反应 最近1 0 多年来，一些新的、更加高效和绿色的偶合反应相继报道，它们在 充实了偶合反应方法学的同时，更重要的是体现了现代社会对环境保护的诉求， 体现了绿色化学所追求的境界。这些反应包括： 1 1 2 1 b u c h w a l d h a r t w i g 反应 通常是指在p d 或n i 催化下，实现c x ( x = n ，0 ，s ) 键形成的一类反应的总 称( e q1 2 ) t 1 0 1 。近年来，铜催化的类似的反应也得到了巨大的发展。这些新方法 的发展，关键的地方就是在于一系列的新的配体的应用。在p d 催化体系里， 2 第一章过渡金属催化的偶合反应和基本的金属有机基元步骤 一些敖合配体、大位阻的单齿磷配体以及一些卡宾类配体的应用，使得许多以 前难以实现的反应能够在非常温和的条件下，高效的完成。在c u 催化体系里， 主要是一些多齿的n ，o 类配体的应用，革新了以往的古老的u l l m a n n 反应，使 之重获新生。 r ，x + n h r l r 2 p ds a l t p h o s p h i n el i g a n d b a s e ，p o l ars o l v e n t , a r ，恨2 、一 ( 1 2 ) 1 1 2 2c h 活化反应 这是近1 0 多年来一个最为活跃的研究领域【l l 】。它之所以受到广泛关注是 由于这类反应直接使用了芳烃类或杂环芳烃作为反应物，区别于传统的偶合反 应通常要使用卤代的芳烃，这样就省去了由芳烃生成卤代芳烃的制备过程( 因 为石油化工能够提供的是大量的便宜的芳烃) 。而且，从绿色化学的角度看，它 能提供更高的原子经济性，副产物通常是h 2 0 等，而不像传统的偶合反应j 原 子经济性较低，会生成大量的对环境有害的无机盐。这类c h 键活化反应按照 其反应伙伴，可以分为以下几种： t mc a t a r l 一h + a ? - x a r l h + a r 2 h a 一a r 2 b a s e ( 1 3 ) t mc a t a r l r 2 o x i d a n t ( 1 4 ) 前者( e q1 3 ) 在文献中通常称为直接芳基化反应( d i r e c ta r y l a t i o nr e a c t i o n ) ，它 通常是一个芳烃或杂芳烃和另一个卤代芳烃( 或卤代杂芳烃) 反应，生成联芳 烃的化合物，通常需要加入碱来帮助脱氢和接收生成的h x 。当然烯烃或炔烃 类的反应底物也是适用的。后者( e q1 4 ) 通常需要加入氧化剂来接收掉下来的 氢，常用的氧化剂有0 2 ，c u ( i i ) 盐，o j c u ( i i ) 盐混合体系，苯醌等，这类反应 因而通常被称为氧化型偶合反应( o x i d a t i v ec r o s s c o u p l i n g ) 。 相对于传统的偶合反应，在这种c h 活化反应里一个极其重要的挑战便是 反应的区域选择性。传统的偶合反应，反应的位点由预先的离去基团决定，所 以通常是区域选择性的反应；而在c h 键活化反应里，底物芳烃上通常有好几 个性质非常类似的c h 键，反应如何才能得到选择性的在某一个位置c h 键反 应的产物呢? 在合成方法学中，有一类非常重要的手段，那就是邻位导向基团 的引入。这些导向基团和过渡金属络合，生成环金属化的产物，然后再和另一 第一争过渡金属催化的偶合反应和基本的金属自机基冗步骤 个反应物继续反应，得到产物。这些反应由于导向基团的作用，使得o r t h oc h 键的活化在动力学和热力学上都非常有利，因而产物往往具有很高的区域选择 性。常用的导向基团有k e t o n e ，a m i d e 等【1 2 l 。还有一个控制反应区域选择性的策 略是利用杂环芳烃上7 r 电子云的不对称分布，导致环上的不同位置的c h 键的 活性区别，而使得反应选择性的发生在某个活泼一点的c h 键上。一个常用的 方法里利用这些c h 键的酸性的强弱不同，在适当的碱的作用下，选择性的活 化杂环芳烃上酸性最强的c h 键i l3 1 。 过渡金属催化的c h 键活化机理目前认为主要有：亲电芳香取代机理i l 引， o b o n dm e t a t h e s i s 1 5 1 和氧化加成机理f 1 6 1 ( f i g u r e1 1 ) 。对于某个具体的反应，到 底是哪个机理起作用取决于反应条件，如催化剂，芳烃的电子性质以及溶剂极 性等。一般来说，催化剂的价态越低，电子密度越大，越有利于氧化加成机理 的进行；反之，催化剂的价态越高，越缺电子，苯环上电子云密度越大，则亲 电芳香取代的机理则有利。在其他中间的状态，则协同的o b o n dm e t a t h e s i s 机 理则有可能占主导地位，特别是一些含有羧酸根，碳酸根的较高价态的过渡金 属作为催化剂时，这种协同的机理往往发生。 h 旦半9 眦n 9 h 一铲1 i 旷 t 囝9 h 一 g 可一9 救h f i g u r e1 1 过渡金属催化的c - n 键活化的几种丰要机理：( a ) 亲电芳香取代机理 ( b ) o - b o n dm e t a t h e s i s ( c ) 氧化加成机理 1 1 2 3 脱羧偶合反应 近年来，脱羧偶合反应得到了迅速发展。它的思想是利用大量存在的羧酸 或其盐，在过渡金属的作用下，脱去c 0 2 ，得到a r - t m 作为亲核试剂，然后再 去和其他的反应物反应，得到各种类型的产物( e q1 5 ) 1 7 1 。这样做的好处是：首 先，避免了传统偶合反应时需要提前单独制备亲核试剂的麻烦，而且这些亲核 4 第一章过渡金属催化的偶合反应和基本的金属有机基元步骤 试剂通常对水和空气敏感，不易保存和运输；其次，反应的副产物是c 0 2 ，很 容易挥发出去，而不像传统的偶合反应会生成大量的无机盐，这些无机盐有毒， 难以处理，会对环境造成巨大的污染。最后，这类方法相对于c h 键活化，它 有一个优势是反应是原位地发生在与羧基相连的碳原子上，因而避免了反应区 域选择性的问题。 t mc a t a r c o o h a r t m a i k e n e a r x a r he t c p r o d u c t ( 1 5 ) 目前，另一个反应物通常是烯烃，卤代芳烃或杂环芳烃陋2 0 1 ，但是反应的 温度通常很高，底物范围仍然较为狭窄( 通常羧酸底物上需要一个邻位的取代 基) 。如何进一步的改进反应条件，使之在较低的温度下，实现一系列的底物的 偶合目前仍然是一个热点课题。 1 2 基本的金属有机基元步骤 过渡金属催化的偶合反应是由一系列的基元步骤构成的。对于传统的偶合 反应，下面的机理框架被广泛接受( s c h e m e1 2 ) f 1 1 。 s c h e m e1 2 传统的偶合反应机理示意图 a r l 。 m g 1 x m - x 注：m ：过渡金属；1 1 1 有机金属试剂中的主族金属；x ：卤素，酸根等。 过渡金属和卤代芳烃发生氧化加成反应，得到中间体l ，l 中过渡金属中心 的氧化态增加2 ，配位数增加2 。中间体1 和亲核试剂发生转金属化反应，得到 中间体2 ，最后，中间体2 发生还原消除，得到偶合产物，并再生出催化剂， 这个过程过渡金属中心的氧化态减2 。 第一章过渡金疆催化的偶合反应和基本的金属仃机基兀步骤 这里面就有3 个基元反应：氧化加成，转金属化，还原消除。除了这些， 在金属有机化学中，还有其他的一些常见的基元步骤，下面逐一略叙一下。 1 2 1 氧化加成 氧化加成一般是富电子的过渡金属和亲电试剂发生如e q1 6 所示反应： m ( n ) ( n + 2 、 r 2 一m - - - r 1 ( 1 6 ) 反应的净的结果是过渡金属的氧化态增加2 ，配位数也增加2 ，亲电试剂中的 r 1 键被切断。对于过渡金属中心来说，发生了表观的氧化反应，所以称为氧 化加成。 一般来说，金属中心的电子密度越大，氧化态越低，金属中心上有推电子 的配体，越有利于氧化加成的进行。被切断的键的键能越小，键的极性越大， 越有利于氧化加成的进行。 氧化加成在许多偶合反应里是第一步，也是反应的决速步，如在p d 催化 的偶合反应里，第一步通常是卤代芳烃对富电子的p d 中心的氧化加成。因而 氧化加成也研究的比较多【2 l 】。 氧化加成可以是一步协问的过程，也可以是包含单电子转移的分步过程， 前者的过渡态通常是一个3 中心的过渡态，而后者一般先是从金属中心转移一 个电子到卤代芳烃底物上，形成一个卤代芳烃的负离子自由基，这个负离子自 由基释放出卤负离子，得到一个芳基自由基，最后，芳基自由基再结合到金属 中心上，这样金属中心的表观氧化态也增加2 。 1 2 2 还原消除 还原消除是氧化加成的逆反应( e q1 7 ) ： r 2 品坌r ，m ( n ) + r 1 - - r 2 ( 1 7 ) 反应的净的结果是过渡金属中心的氧化态减2 ，配位数减2 。还原消除中电子效 应的规律与氧化加成相反，即缺电子的金属中心有利于还原消除的进行。因而 一般还原消除反应发生在高价态的金属中心上。另外，研究显示，金属中心上 待消除的两个基团所受的空间位阻作用越大，越有利于它们的接近，从而发生 6 第一章过渡金属催化的偶合反应和基本的金属有机基元步骤 消除。这个规律在实验上的一个应用就是大位阻配体的应用和大的络合角( b i t e a n g l e ) 的二齿配体对还原消除的促进口2 1 。 还原消除在很多偶合反应里是生成产物的一步，在一些反应里也可能是决 速步，现在对c - c 还原消除研究的已较多，但是对含有杂原子的还原消除的研 究还很有限。 1 2 3 迁移插入 迁移插入反应是指不饱和的双键或三键插入到金属碳键，如e q1 8 所示： m - r + 允1 一m 1 ( 1 8 ) 也可：以看成是二m r 对一个双键或三键的加成反应，文献中有时也称为 c a r b o m e t a l a t i o n (r 是一个碳基团时) 。类似地，当r 是一个氧原子基团时，就 称为o x y m e t a l a t i o n ，依此类推。反应中过渡金属中心的氧化态保持不变。 烯烃对t m a r y l 的迁移插入反应是一个非常重要的基元步骤【2 3 1 ，如烯烃聚 合反应，烯烃的官能化反应( 如c a r b o a m i n a t i o n ，c a r b o x y g e n a t i o n 反应等) 和h e c k 等反应里就有烯烃对p d - a r y l 键的迁移插入。另外在一些环加成反应里，也常 常涉及到烯烃和炔烃对t m r 键的迁移插入反应。 1 2 4 1 3 - h 消除 mhr - 7 叫m - h + = = = r ( 1 9 ) p h 消除是生成烯烃产物的一个重要的反应【2 4 1 ，同时得到过渡金属氢化物 ( e q1 9 ) ，一类研究的非常多的过渡金属化合物类型。反应时，需要在过渡金属 中心上有一个络合空位，以接收从p c 原子上掉下来的氢。反应过程中过渡金 属中心的氧化态保持不变。p h 消除反应在h e c k 反应里是生成产物的一步。 p h 消除反应中由于需要有p h 的存在，所以对那些不含有b 氢原子的中 间体来说，便不能发生这种类型的反应。实际上，除了h 原子外，b c ，1 3 - o 等 的消除反应在文献中也有报道。 7 第一奄过渡金属催化的偶合反应和基本的金属有机基元步骤 1 2 5 转金属化 有机基团从一个金属中心上迁移到另一个金属中心上的过程： m - x + m 。r 叫m r + m - x ( 1 1 0 ) e q1 1 0 就是r 基团的转金属化反应，从m 上迁移到m 上。转金属化的过程是 在过渡金属中心上引入亲核基团的重要手段1 2 5 1 。这个基元反应在过渡金属催化 的偶合反应里广泛起作用，如s u z u k i ，n e g i s h i ，h i y a m a , k u m a d a ，s t i l l e 反应中 分别是有机基团从b ，z n ，s i ，m g ，s n 原子上迁移到过渡金属中心p d 上的过 程。这个过程也不涉及过渡金属中心氧化态的变化。 1 2 6 配体置换 这是一个置换反应，用另一个配体将过渡金属中心上的一个配体给取代下 来，是金属有机反应中一个非常常见的过程( e q1 1 1 ) 。 m l 2 + l 1 ( 1 11 ) 参考文献 【1 】m e t a l - c a t a l y z e dc r o s s c o u p l i n gr e a c t i o n s ；d em e i j e r e ，a ，d i e d e r i c h ，f ，e d s ； w i l e y ：w e i n h e i m ，g e r m a n y ，2 0 0 4 【2 】n e g i s h i ，e zo r g a n o m e t c