金属钯在有机反应中的催化应用.ppt

金属钯在有机反应中的催化应用 主讲人 周晋化学工程学院 主要内容 Pd催化剂的独特地位金属配合物的基元反应金属钯催化的反应类型交叉偶联反应醇需氧氧化反应 一 金属钯催化剂的独特地位1 金属在有机化学中的应用 绝大多数有机化合物由C H N O S P等非金属元素组成但元素周期表中3 4的的元素为金属元素多种金属元素已经被应用于有机化学反应 活泼主族金属元素 如Li K Na Mg CaCH3Lit BuOKNaBH4CaH2NaNH2CH3MgCl第三主族金属元素 Lewis酸催化剂 傅克反应硼氢化还原反应过渡金属 1 过渡金属试剂参与化学计量反应KMnO4CrO3Zn Hg 2 过渡金属催化剂OrganometallicChemistryDirectedTowardsOrganicSynthesis OMCOS Fe Co Ni Pd Pt Rh Ru等等 回顾诺贝尔奖颁奖一个多世纪以来 化学奖授予给有机合成方法学的一共有6次 在我们今天看来 它们都是在有机合成上具有划时代意义的 是经典中的经典的 它们分别是1912年格林尼亚的格氏试剂 1950年Diels Alder反应 1979年的Witting反应 2001年的不对称催化和去年的烯烃复分解反应 2010年的金属钯催化的交叉偶联反应 我们可以发现 这六次奖都是有关构筑C C键的合成方法学 其中格氏试剂 烯烃复分解反应和交叉偶联反应都是涉及到金属在有机化学中的应用 如果算上1963年的Ziegler Nata催化剂 一共有三次获奖 2 为什么是Pd Pd作为第46号元素 位于第二过渡周期 其原子半径大小适中 介于金属镍和铂之间 适度的原子尺寸与其多样的化学性质紧密相关 比如Pd配合物的稳定性以及催化性能的多样性 Pd倾向于0和 2两个氧化态 Pd 0 Pd II Pd的这种性质与其原子半径是紧密相关的 原子半径较大的金属Pt倾向于形成Pt IV d6的八面体配合物 而原子半径较小的金属Ni则可以通过一个单电子过程形成一个Ni I 物种 当然金属Ni的这一性质可能使其在一定程度上比金属Pd具有更多样化的应用 然而 反应活性与不稳定性总是联系在一起的 Pd配合物的相对稳定性更有利于催化反应的选择性和最大限度地避免副反应 而很多Ni催化的有机反应却往往产生复杂的副反应 因此 与Ni相比 Pd在催化有机反应时具有更高的化学和立体选择性 或者说 有机Pd配合物在参与有机反应时具有更高的稳定性 2 为什么是Pd 2 为什么是Pd Pd是典型的后过渡金属 倾向于生成d10和d8的配合物 分别对应0和 2两个低氧化态 Pd能够形成相对稳定的16e或者更少最外层电子数的配合物 这类配位不饱和的配合物可以提供至少一对价层空轨道和被占有的非键轨道 作为LUMO的价层空轨道可以提供Lewis碱性和亲电空位 而被占有的非键轨道可以作为HOMO提供Lewis酸性和亲核空位 因此 Pd可以很容易地参与协同那些活化能较低的有机反应 事实上 Pd的配位性质正是其能够协同如此多的高选择性有机反应的关键所在 2 为什么是Pd Pd C键具有特殊的稳定性 金属Pd和C的Pauling电负性分别为2 2和2 5 因此 Pd C键在一定程度上被认为是非极性的 与格式试剂和锂试剂等金属有机试剂相比 Pd C键对羰基 酯基 氨基 醛基 硝基等极性基团和C X键以及环氧化合物都具有相当的稳定性 2 为什么是Pd Pd可以有效地活化一些被认为是惰性的化合物 比如羰基化合物等 醛基与Pd可以通过C H活化生成酰基 Pd配合物 继而发生去羰化反应 而酮类则可以被Pd催化氢化还原为醇 最后 Pd的毒性很小 因此Pd可以作为催化剂大量应用在工业生产的过程中 二 金属钯配合物的基元反应 Pd 0 LnPd II LnPd 0 价层轨道电子排布为4d10 根据18e规则 Pd 0 可以结合四个配体 生成18e配合物 与大体积配体可以生成配位不饱和的16e或14e配合物 PdL4的空间构型一般为四边形 价层轨道杂化形式为dsp2 1 氧化加成 氧化加成是指金属活性物种断裂共价键从而形成两个新的化学键 相应的金属物种的氧化态升高2 2 还原消除 3 插入反应 金属配合物插入不饱和化学键 类似有机化学中的加成反应 4 转金属化 5 H消除 配位催化原称络合催化 是指这样的催化作用 在催化过程中催化剂与反应物或反应中间物之间发生配位反应 使反应物分子在配位个体中处于有利于进一步发生反应的活化状态 从而加速反应的进行 配位催化在生产某些有机工业品的过程中起非常重要的作用 配位催化 三 金属钯催化的反应类型 三 金属钯催化的反应类型 Wacker反应 金属钯催化的一般过程 Pd催化的反应类型 交叉偶联反应Suzuki反应 Stille反应 Sonogashira反应 Heck反应等醇需氧氧化反应聚合反应氢化反应 四 交叉偶联反应 Suzuki Heck Kumada Stille Sonagashira Hiyama Buchwald Hartwig X Hal Tosylate 2010年诺贝尔化学奖 金属钯催化的交叉偶联反应研究HeckNegishiSuzukicoupling 10月7日 75岁的美国珀杜大学教授根岸英一在得知自己获得诺贝尔化学奖后 用流利的日语说 我接受了美国的教育 在这里学习 工作了五十余年 但我至今依旧拿着日本护照 我希望你们告诉国内同胞 让他们和我一起分享这个快乐 也是在那一天 80岁的北海道大学名誉教授铃木章来到大学的会议室 他对记者说 日本是个没有什么资源的国家 我们只有人 只能依靠人的努力获取各种知识 理科的发展对国家来说非常重要 大多数偶联反应具有相似的催化循环过程 1 催化剂种类 磷配体环钯催化剂N 杂环卡宾催化剂其他含氮配体负载型纳米钯催化剂 配体活性中间体的溶解性催化剂的空间位阻金属中心的电子密度催化剂活性催化剂寿命和循环数光学选择性 磷配体 磷配体是强 配体和弱 接受体磷原子的取代基R影响磷配体的电子密度富电子的活性金属中间体有利于发生氧化加成 圆锥角与磷配体的空间性质 圆锥角越大 磷配体的空间体积越大 越容易从金属中心上离去 形成缺电子的活性中间体 有利于氧化加成 磷配体的合成路线 TwoMajorRoutes RadicalAdditionofAlkenestoPhosphines NucleophilicSubstitutionofPhosphineHalogenideswithGrignardorOrganoLithiumCompounds 常见的磷配体 水溶性磷配体 环钯催化剂 环钯配合物的合成 N 杂环卡宾 亲核性的N 杂环卡宾 NHC 配体是强 供体 被称为 类膦配体 2005年诺贝尔化学奖 卡宾钌催化的金属复分解反应 负载型纳米钯催化剂 许多偶联反应过程中起催化作用的活性中心实质是高活性的Pd纳米粒子 有序介孔材料具有较大的比表面积和规则的有序孔结构利用有序孔结构限制或调整固载催化剂的微观形貌 2 Heck反应 倾向于生成空间位阻小的反式偶联产物 3 Suzuki反应 芳基硼酸与卤代芳烃反应生成联芳基化合物该反应因具有反应条件温和 可容忍多种活性官能团 受空间位阻影响不大 产率高以及芳基硼酸经济易得且对水不敏感等优越性而成为普遍使用的Csp2 Csp2偶联方法 含氯环肽A Suzuki反应的机理 氧化加成是整个催化循环的速度控制步骤 因此反应活性ArI ArOTS ArBr ArCl ArF Suzuki反应的要素 芳基硼酸 硼酸酯 四苯硼酸盐卤代芳烃 芳基磺酸酯 Pd 碱 KOHNaCO3K2CO3CsCO3K3PO4等反应介质 有机溶剂 离子液体 H2O反应手段 室温 加热 微波等 4 Sonogashira反应 Sonogashira反应是合成芳基炔烃的最有效方法之一目前 该反应已经可以在无铜条件下实现 TMSAcetyleneinSonogashiraCoupling TheUseofSilylatedAcetyleneAvoidsCouplingatBothPositionsTheSilyl ProtectingGroupcanbeRemovedin situ toEnabletheSecondCouplingReactioni e fortheSynthesisofUn Symmetricbis Arylethynes7 5 StilleCoupling反应 金属钯催化的有机锡试剂与卤代芳烃之间的偶联 反应顺序 Alkynyl Alkenyl Aryl Allyl Benzyl Alkyl 有机卤代物可以是卤代芳烃 卤代烯烃或酰氯有机锡试剂剧毒 6 HiyamaCouplingReaction 与Stille偶联相比 避免使用有毒的有机锡试剂 7 KumadaCoupling Kumada反应是Ni或Pd催化的卤代芳烃或烯烃与格氏试剂的偶联反应 使用有机锌试剂则为Negishi反应 Ambrucitin13 8 BuchwaldHartwigChemistry 金属钯催化的卤代芳烃与伯胺或仲胺偶联生成取代苯胺 当使用醇或酚类为反应底物时 此反应可以用来合成芳基醚 芳基醚经常用作高品质的润滑剂等 InexpensiveNonflammableNontoxicEnvironmentallysustainableWater Othersolventbiphasicsolventsystem Water AGreenSolvent 水相中的Suzuki反应 水溶性磷配体 1 Pd 水溶性 双亚胺配合物催化的Suzuki反应1 1水溶性双亚胺的合成 反应要素 Pd Base Ligand 1 2Pd diiminecatalyzedSuzukicouplinginaqueousphase 1 2 1反应条件优化 Reactionconditions 3 Pd OAc 2 3 6 Ligand5 2mLDMA 2equivBase 80 N2 1h GCyieldbasedonbromobenzene BaseLigands AqueousSuzukicoupling Complex1Complex2 Pdprecursorscreening OptimizationofSuzukicouplinginaqueousphase Reactioncondition 1 0mmolarylhalide 1 3mmolarylboronicacid 2mmolK2CO3 reacitiontimenotoptimized MethodA 0 01mol Complex1 5mLdeionizedwater 75 0 5equivTBAB 3 5h MethodB 0 01mol Complex1 EtOH H2O 1mL 1mL 70 underair 1 5 2h MethodC sametomethodB but0 1mol catalyst rt about18 20 10h Reactioncondition 1 0mmolarylhalide 1 3mmolarylboronicacid 2mmolK2CO3 reacitiontimenotoptimized MethodA 0 01mol Complex1 5mLdeionizedwater 75 0 5equivTBAB 3 5h MethodB 0 01mol Complex1 EtOH H2O 1mL 1mL 70 underair 1 5 2h MethodC sametomethodB but0 1mol catalyst rt about18 20 10h 2 水溶性环钯配合物催化的水相Suzuki反应 2 1环钯配合物制备2 2不同环钯配合物催化性能比较2 3六元环钯配合物催化活性2 4Palladacycle1催化的水相Suzuki反应2 5Palladacycle1催化循环2 6催化机制 2 1Preparationofpalladacycles Palladacycle6 Cl3 Pd1 Cl3A 81 97 Pd1 Cl3 Pd1A 91 03 Cl3 Pd1A Cl3A 81 97 Pd1 Cl3A Pd1A 91 03 N1 Pd1 C23 89 11 Pd1 Cl3 2 344 Pd1 C23 2 008 Pd1 Pd1A 3 626 2 2Catalyticactivitiesofdifferentpalladacycles 2 3Six memberedpalladacyclecatalyticsystem 2 4Palladacycle1catalyticsystem 2 5Reuseofpalladacycle1a aReactionconditions 1mmolof4 bromoanisole 1 5mmolofphenylboronicacid 2equivKOH 20mLofwater palladacycle1 100 1h GCyield averageofthreeruns b1 5hforcycle1 3 2hforcycle4 5 15hforcycle6 8 c1hforcycle1 4 d18h 2 6Mechanismofpalladacyclecatalyticsystem2 6 1Nanopalladium therealcatalyticspecies Five memberedpalladacycle Six memberedpalladacycle 2 6 2Thereleaseofnanopalladium BeforereactionCycle1 Cycle2Cycle3 2 6 3Reuseofpalladacycle1detectedbyTEM Phenylboronicanionandthetwopossibilitiesofbindingtothepalladiumnanoparticlesurface 为什么Pd纳米粒子不聚集沉淀 2 6 4Reuseofpalladacycle1withsurfactantsa aReactionconditions 1mmolof4 bromoanisole 1 5mmolofphenylboronicacid 2equivKOH 20mLofwater 100 1hforcycles1 4 bGCyieldbasedon4 bromoanisole averageofthreeruns c18h 水溶性环钯配合物催化体系 合成了一系列新的水溶性希夫碱环钯配合物 其中六元环钯配合物对水相中溴代芳烃的偶联具有极高的催化活性 是一种能够循环利用的水相Pd纳米粒子催化Suzuki反应体系 利用TEM研究了环钯配合物的催化机制 五 Pd催化的醇需氧氧化反应 原子经济性和环境友好的化学氧化过程 Wacker反应历程 Pd oxidaseprocess 常见的配体或催化剂体系 Pd OAc 2 DMSO体系 1998年 Peterson等开创了Pd OAc 2 DMSO反应体系 成功地将一级烯丙基醇和芳香二级醇高选择性地氧化成醛和酮 扩大了对醇的氧化范围 由于反应条件温和 操作简单 在合成上具有很大的应用价值 Pd OAc 2 Pyridine体系 高产率的氧化苄醇 脂肪伯醇 脂肪仲醇以及烯丙基醇等几乎所有类型的醇类 并且可以以空气代替氧气作为氧化剂来源 Pd OAc 2 NEt3体系 第一个室温下可行的醇需氧氧化催化体系 Pd NHCs体系 Pd OAc 2 PhenS 水相催化体系 迄今为止最成功的水相醇需氧氧化催化体系循环使用10次以上避免使用有机溶剂 产物更易分离 二级醇的动力学手性拆分 使用手性配体 选择性的氧化特定光学手性的醇为醛类 从而达到拆分外消旋二级醇的目的 反应可以选择性地把 R 苯乙醇氧化成酮 而 S 苯乙醇却不被氧化 这样就现了对 苯乙醇的动力学手性拆分 拆分二级醇的最高ee值可