Cu催化二苯偶联反应.doc

本科学生毕业论文论文题目：Cu催化二苯偶联反应学 院：化学化工与材料学院年 级：2008级专 业：应用化学专业姓 名：胡炳龙学 号：20086417指导教师：初文毅 2011 年 6 月 6 日Cu催化二苯偶联反应化学化工与材料学院 2008级应用化学专业 胡炳龙偶联反应(cross coupling reaction)广义上是指两个有机化学单位(moiety)进行某种化学反应得到的一个有机分子的过程。这里的化学反应包括格式试剂与亲电体的反应、有机锂试剂与亲电体的反应、芳环上的亲电和亲核反应等。而狭义上的偶联反应一般是指涉及有机金属催化剂的碳-碳或碳-杂键的生成反应。这类反应是化学变化中最重要的过程之一，利用这类反应可以将简单的反应前体转变为结构复杂的分子。在很多天然产物、药物和染料等分子结构中都含有这种碳-碳或碳-杂键，因此如何有效的构筑这些碳-碳或碳-杂键是有机化学的重要研究领域之一。亲电不饱和sp或sp2碳与亲核性碳及氮等原子进过过渡金属的催化可以直接成键，这种C-C和C-杂原子键的形成方法在有机合成上具有重要用途，特别在合成一系列芳基烯烃和炔烃化合物上开辟了新的途径。通过长期和大量的研究，人们发现使用过度金属催化剂可以使这类反应顺利地进行，而且适用范围广，反应条件温和，产率较高，对底物兼容性较好，它们已经被广泛的应用到有机化学的许多研究领域，如天然产物、药物分子以及具有生物活性化合物的合成，聚合物、超分子、液晶及先进材料的合成等。目前绝大多数的C-C和C-杂原子的偶联反应使用了钯催化剂，尽管钯催化剂偶联反应表现出很高的催化效率和很好的选择性，然后钯昂贵的价格限制了它在药物合成和工业生产中的应用。与钯、铂和镍等过渡金属相比，铜及各种铜盐廉价且低毒，用铜来催化这些偶联反应可以节省昂贵的钯、铂和镍催化剂消耗以降低成本，还可以减少对环境的污染，促进化学工业的绿色化进程。一、铜催化的二苯偶联反应类型1、Ullmann反应1901年，Fritz Ullmann首次报道了芳基卤化物在铜的催化下形成芳基碳碳键的反应(Scheme 1)，人们称此反应为Ullmann反应。但是早期该反应条件较苛刻(反应温度较高200，催化剂的用量较大)，而且底物的范围狭窄。2、Still反应Still反应是指有机锡试剂与卤代物进行反应来构筑碳碳键的一种方法。Kang研究小组1997年报道了以10mol%CuI做催化剂，NMP为溶剂，100左右，在NaCl存在的条件下，三丁基锡试剂可以很好的和卤代物进行偶联(Scheme 2)，但是该条件下只适合于较容易反应的碘代物。2006年Li研究小组以Cu2O为催化剂，P(o-tol)3为配体，在TBAB和KF存在下，三丁基锡试剂和卤代芳烃在130可以很顺利的发生反应(Scheme 3)，值得一提的是，该条件不仅适合碘代和溴代芳烃，氯代芳烃同样可以得到较高的产率。3、Hurtley反应活泼亚甲基化学物在金属铜或铜盐存在下发生的芳基化反应称为Hurtley反应，这是有机合成化学中用于碳碳键合成的一个重要反应。1993年，Okuro K等报道了首个CuI催化的芳基碘化物与一些活泼亚甲基化合物的偶联反应(Scheme 4)。反映在120下进行，在这一温度下，反应物部分遭到了破坏，导致收率偏低，同时，溴代物在同样的反应条件下并不能很好的转化。2002年Buchwald研究小组报道了CuI催化、邻苯基苯酚促进的芳基碘化物与丙二酸二乙酯的偶联反应(Scheme 5)。反应在70即可进行，条件较为温和，收率较高，所使用的配体也廉价易得，但反应底物同样仅限于碘代物，并且在于乙酰乙酸乙酯等其他活泼亚甲基化合物的反应中，并不能得到好的效果。芳基溴代物相对于碘代物价格较为低廉，制备获取更加容易，如能发展一个成功实现以芳基溴代物为底物的偶联反应，对于这一反应在有机合成及化工生产中的应用具有很大的意义。香港理工大学的Kwong研究小组以CuI为催化剂，廉价的吡啶-2-甲酸为配体，在室温下实现了芳基碘化物和芳基溴化物和丙二酸二乙酯的偶联(Scheme 6，Eq32),收率优良，并且催化剂用量较少。不足之处在于对其他的活泼亚甲基化合物如乙酰乙酸乙酯取得的效果不佳。Ma研究小组以CuI为催化剂，利用L-脯氨酸为配体在40-50实现了芳基碘化物或溴化物与丙二酸酯或B-酮酯间的偶联(Scheme 6，Eq33)。Jiang研究组报道了类似的催化体系，但是需要较高的温度90而且只适用于芳基碘化物(Scheme 6，Eq34)。2004年，Taillefer研究小组报道了以希夫碱为配体的CuI催化的Hurtley反应(Scheme 6，Eq35)。4、Sonogashira反应1993年Miura报道了首例CuI催化的Sonogashira反应(Scheme 7)，芳基碘化物可以很好进行反应，而溴化物则不适应该条件，只有邻硝基溴苯能参与反应并且产率较差。近年来，对Sonogashira反应的研究引起了人们的广泛关注。2004年Ma小组以CuI为催化剂，N,N-二甲基氨基乙酸为配体，用碳酸钾为碱和DMF为溶剂，在100时碘代和溴代芳烃可以很顺利的和端基炔烃进行偶联。2007年，Li小组报道了CuI/DABCO体系，以碳酸铯为碱，DMF为溶剂，120-130时可以实现包括氯代芳烃在内的卤代芳烃与炔烃的偶联，得到了中等到良好的产率。值得一提的是在2002年，Venkataraman小组利用可溶性铜盐为催化剂，碳酸铯为碱，催化邻碘苯酚与苯乙炔在110下反应(Scheme 8)，通过连续的Sonogashira反应和环化反应，一步合成了2-芳基苯呋喃类环化合物。该方法极大的丰富了这类反应的应用。2003年Cacchi小组用类似的方法利用铜盐为催化剂通过Sonogashira反应和分子内环化反应，从邻碘代三氟乙酰苯胺和端基炔烃简单高效的合成了2-芳基吲哚和2-杂芳基吲哚类化合物(Scheme 9)。Ma小组利用CuI/L-proline催化体系应用于该反应也得到了较好的效果。近年来，微波辅助的Sonogashira反应引起了化学工作者的广泛兴趣。2002年Wang小组利用CuI/PPh3/K2CO3/DMF体系首次实现了微波辅助的Sonogashira反应，与传统的加热方式比较，微波大大较快了反应的速率。5、Glaser反应1986年Glaser发现端基炔烃在一价铜盐和氨水存在的条件下可以自身偶联生成1,3-二炔以来，有关这一反应的研究取得了很多重要的成果。但是大多数的铜催化都是一价铜盐，使用二价铜盐的体系仍值得研究。二、铜催化的二苯偶联反应展望现今，基于铜催化的偶联反应已经取得了很多重要的成果，但是仍然存在挑战，如探索新的配体或催化体系以更大的降低催化剂的用量、催化剂的重复使用、使用绿色合成环境、使用惰性底物、工业应用以及机理的阐明等。铜催化的碳一碳偶联反应底物适用范围广，较把催化剂具有成本低，环保低毒而催化效果并不差。因此随着研究的不断深入，相信在日用化工，药物合成等工业上铜催化体系一定会得到广泛的应用。但目前的研究还存在一些问题需要人们去研究解决：1、有些铜催化体系催化效果还不够好，反应产率还不是很高，对有位阻等活性不高的底物难以进行等问题；2、反应条件还