过渡金属应用.ppt

第四章应用过渡金属有机配合物的有机合成反应 由于基元反应大部分是在温和条件下进行的 据此而发展的有机合成反应 一般可以在温和的条件下进行 而且由于反应底物 过渡金属和配位体之间的不同组合 可以设计出有不同选择性的有机合成反应 这是近年来有机合成化学的一大进展 在合成化学中 金属有机化合物所起的关键作用是形成 C M键 C M键的形成可以有下列途径 1 氧化加成 2 插入反应 3 金属试剂的烷基化R M LnMCl LnMR M Cl SnMe4orRMgCl 4 键重排 生成 C M键以后 就可以进行插入反应或其它反应 有机合成的产物 不过是金属有机化合物最后的分解产物而已 从前章基元反应可以知道 一个金属有机化合物最后生成有机化合物的途径 一 偶联反应 Kumada反应 Kumada交叉偶联反应 熊田偶联 又称Kumada Corriu偶联反应烷基或芳基格式试剂与芳卤或乙烯基卤在镍或钯催化下的交叉偶联反应 反应产物是苯乙烯衍生物 格式试剂发生的自偶联反应很早就已知道 关于格式试剂与卤代烃之间偶联反应的研究最早是在1971年 当时Tamura和Kochi发展了用银 铜和铁催化剂催化的交叉偶联反应 1972年Kumada等报道了苯基溴化镁和氯乙烯在NiCl2 dppe 2作用下交叉偶联成苯乙烯 同年 Corriu等发现苯基溴化镁与 溴苯乙烯在乙醚中 乙酰丙酮合镍 II 催化下 得到反式二苯乙烯 此后 1975年Murahashi等将此反应扩展至钯催化 反应机理 实际反应时 由烯基 芳基或不饱和杂环的卤化物在催化量的双膦合二卤化镍存在下 加入Grignard试剂即成 一般情况下得率很高 几乎在同一时候 法国的Corriu研究小组发现了同一反应 经十年研究 这一反应有了很大发展 1 配位体的影响 2 烷基的异构化 3 烯烃的立体化学 Grignard试剂和一卤代烯烃的交叉偶合是保持双键的几何构型的 例如 顺式和反式 溴苯乙烯和PhMgBr和MeMgBr反应时各得到相应的顺式和反式物 1 烯基Grignard试剂和卤代芳烃的反应则并非专一的 而得到顺 反异构的产物 4 不对称合成 不对称C C键偶联 J A C S 1983 105 3829T L 1984 25 1999 PPFA 收率 83 99 ee 52 63 这一反应可看作对消旋体Grignard试剂的动力学拆分 反应在 20 0 进行数小时 当配体为PPFA时 可以得到相当高的光学纯度 50 69 配体为Valphos时 可达81 ee 这一反应之所以成功 可能由于Grignard试剂的反转比偶联反应为快之故 经过大量筛选 Kumada等发现要得到光学纯度高的产物 所用的配体中除了膦原子的配位外 还必须有胺基存在 如PPFA Valphos 具有 胺基烷基膦的结构 这一胺基容易和Grignard试剂中的Mg原子发生配位 由于配体具有手征原子 而Grignard试剂又是外消旋体 这样就有其中的一个对映异构体处于有利地位 即外消旋Grignard试剂的一个对映体易于反应 由于上述平衡存在 另一对映体又迅速变成易反应的对映体 所以Grignard试剂的镁原子和胺基配位是这一不对称诱导的关键 J Am Chem Soc 2009 131 9590 9599J Org Chem 2008 73 162 167Org Lett 2007 9 2239 2242 Org Lett 2010 12 396 399 Org Lett 2009 11 5514 5517 Suzuki反应 Suzuki反应 铃木反应 也称作Suzuki偶联反应 Suzuki Miyaura反应 铃木 宫浦反应 是一个较新的有机偶联反应 零价钯配合物催化下 芳基或烯基硼酸或硼酸酯与氯 溴 碘代芳烃或烯烃发生交叉偶联 该反应由铃木章在1979年首先报道 在有机合成中的用途很广 具有很强的底物适应性及官能团容忍性 常用于合成多烯烃 苯乙烯和联苯的衍生物 从而应用于众多天然产物 有机材料的合成中 铃木反应 2010诺贝尔化学奖 美国科学家理查德 海克和日本科学家根岸英一 铃木章因在研发 有机合成中的钯催化的交叉偶联 而获得2010年度诺贝尔化学奖 这一成果广泛应用于制药 电子工业和先进材料等领域 可以使人类造出复杂的有机分子 瑞典皇家科学院诺贝尔颁奖委员会在颁奖状中称 钯催化的交叉偶联是今天的化学家所拥有的最为先进的工具 这种化学工具极大地提高了化学家们创造先进化学物质的可能性 例如 创造和自然本身一样复杂程度的碳基分子 碳基 有机 化学是生命的基础 它是无数令人惊叹的自然现象的原因 花朵的颜色 蛇的毒性 诸如青霉素这样的能杀死细菌的物质 有机化学使人们能够模仿大自然的化学 利用碳能力来为能发挥作用的分子提供一个稳定的框架 这使人类获得了新的药物和诸如塑料这样的革命性材料 Di secondary isoamylborane 双 二级 异戊基硼烷 CH3 2CHCH2CH2 2BH 反应特点 1 催化量的钯2 反应是区域和立体专一性的3 需要碱的存在 9 硼双环 3 3 1 壬烷 反应条件相对温和 硼酸及其衍生物对环境稳定 容易保存 容易处理 后处理容易 适合工业生产 反应中用到的硼试剂相对于很多官能团 羰基 羟基 氨基等 都是稳定的 这是由于硼原子的电负性和碳接近 低毒 绿色化学 施蒂勒反应 Stille反应 是有机锡化合物和不含 氢的卤代烃 或三氟甲磺酸酯 在钯催化下发生的交叉偶联反应 该反应由JohnKennethStille和David于20世纪70年代首先发现 是有机合成中很重要的一个偶联反应 在1992年的偶联发表文献当中占到一半以上 反应同时还被工业合成大量应用 尤其是药物合成 四 三苯基膦 合钯是最常用的钯催化剂 其他催化剂还有 PdCl2 PPh3 2 PdCl2 MeCN 2使用的卤代烃一般为乙烯基或芳基三氟甲磺酸酯或氯 溴 碘代烃 用三氟甲磺酸酯时 加入少量的氯化锂可以活化氧化加成一步的产物 使反应速率加快 烃基三丁基锡是最常用的有机锡原料 虽然烃基三甲基锡的反应性更强 但较大的毒性 约前者的1000倍 限制了其应用 强极性溶剂 如六甲基磷酰胺 二甲基甲酰胺或二恶烷 可以提高有机锡原料的活性 反应机理 该反应的机理与其他钯催化的偶联反应机理类似 活性零价钯与卤代烃发生氧化加成 生成顺式的中间体 并很快异构化生成反式的异构体 后者与有机锡化合物发生金属交换 然后发生还原消除 生成零价钯和反应产物 完成一个催化循环 锡所连基团发生金属交换一步时的速率有如下顺序 炔基 烯基 芳基 烯丙基 苄基 烷氧基烃基 烃基 为了改进反应进程 氯化锂经常被加入参与反应 这个试剂的作用能够稳定氧化加成形成的反应中间体从而加速反应进程 反应活性和选择性能够通过加入等当量的Cu I 或者Mn II 盐来获得改善 偶联反应能够被高供电子数的配位剂所抑制 在Cu I 盐的催化下 钯碳被证明是一个非常高效的催化剂 1 OrganicSyntheses Coll Vol 8 97 1993 2 Synthesis 1992 803 8153 J Org Chem 1994 59 5905 三氟甲基磺酸酯 Negishi反应 Negishi反应是2010年诺贝尔化学奖获得者日本科学家Ei ichiNegishi 根岸英一 于1977年发现的 指的是钯催化下的不饱和有机锌试剂和芳基或乙烯基卤化物等进行的偶联反应 由于有着反应选择性好 催化效率高 反应条件温和及反应原料来源丰富等优点 Negishi反应已经成为有机合成化学和催化化学领域的热点 在天然产物 高分子材料 功能材料和液晶材料的合成及医药生产中得到广泛应用 反应历程 氧化加成 有机锌试剂参与 还原消除 有机锌试剂的制备 1 卤代烃和锌直接反应 2 金属试剂的交换 那基烯酮A B 海洋生物中的提取物 硅试剂和卤代烷的偶联 TASF tris dimethylamino sulfoniumdifluorotrimethylsilicate CH3 2NSi CH3 3 SF4 CH3 3SiF CH3 2N 3S F2Si CH3 3 TBAF 四丁基氟化铵 碳 氮键形成的偶联反应 BINAP 2 2 双 二苯膦基 1 1 联萘Pd2 dba 3 三 二亚苄基丙酮 二钯 碳 氧键形成的偶联反应 小结 上述反应的步骤可以小结为由下列三个基元反应组成 A 氧化加成B 烷基化C 还原消除 通式为 Heck反应 也称沟吕木 赫克反应 Mizoroki Heck反应 是不饱和卤代烃 或三氟甲磺酸酯 与烯烃在强碱和钯催化下生成取代烯烃的偶联反应 它得名于美国化学家理查德赫克和日本人沟吕木勉 赫克凭借此贡献得到了2010年诺贝尔化学奖 Heck反应还有下列各种类型的发展 A 烯烃化 B 双烯基化 C 炔基化 D 从烯丙醇合成 取代的醛或酮 Heck反应的另外形式 在Heck反应中如不用烯烃而用CO插入 则发展成下列反应A 烷氧羰基化 B 酰胺化 C 甲酰化 1971年 日本化学家沟吕木勉报道了乙酸钾作碱和氯化钯催化下 碘苯与苯乙烯在甲醇中 120 C和加压的条件下偶联为二苯乙烯的反应 1972年 Heck对沟吕木勉的反应稍作改进 采取无溶剂条件 并改用乙酸钯催化和有位阻的三正丁胺作碱 Heck反应具立体选择性 多产生反式产物 此反应工业上用于药物萘普生和防晒霜组分对甲氧基肉桂酸异辛酯的制取 Wurtz反应Glaser偶联反应Ullmann反应Gomberg Bachmann反应Cadiot ChodkiewiczCastro StephensKumada偶联反应Heck反应Sonogashira偶联反应Negishi偶联反应Stille偶联反应Suzuki反应Hiyama偶联反应Buchwald Hartwig反应Fukuyama偶联反应 10月6号 诺贝尔化学奖尘埃落定 三位从事有机化学研究的科学家荣膺此殊荣 他们是来自美国的RichardF Heck 和来自日本的Ei ichiNegishi 根岸英一 和AkiraSuzuki 铃木章 他们几人的主要贡献都是上世纪的70到80年代做出来的 早就成了有机合成的重要手段 应用非常普遍 所以他们的获奖也是众望所归了 诺贝尔奖颁奖委员会的致辞大意是这样的 这三名科学家因在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究获奖 这一成果广泛应用于制药 电子工业和先进材料等领域 可以使人类造出复杂的有机分子 在我们进入大学以前 我们对化学的最直观的理解就是 反应 就是那种A B到C D之类的原子重组过程 从这个角度看来 化学的几个主要分支中 有机化学无疑是 最化学的化学 其中涉及到的分子结构 有机合成 理论分析无疑对广大初级的化学专业的学生极具杀伤力 所以 如果做一个民意调查 在大一大二学生让 让他们在无机 有机 分析 物化中选一个最感兴趣的 我想 有机绝对是票王 而且是超过半数的绝对优势 有机最大的亮点是合成 是那种从小分子到 庞然大物 的过程感 是那种 为伊消得人憔悴 过尽柱子终寻尔 的成就感 是那种领略对称与空间结构的美感 而以上三人的贡献就无疑是通过碳碳之间的 牵线搭桥 让我们感受到了有机化学的神奇 有机合成的过程大致都是碳链的增长和官能团的转化 其中如何有效的增长碳链是一个非常具有挑战性的主题 基础有机化学中 我们学到可以通过格氏试剂 Grignardreactants 和有机锂试剂 Corey House反应 实现C C的偶联 上述两种方法均获得诺贝尔奖 格氏试剂 1912年 锂试剂 1990年 而这次 三位诺奖得主的工作便是利用含Pd催化剂进行C C之间的链接 从而让有机合成面貌涣然一新 让我们先从Heck反应谈起 我们知道 如果sp2杂化的碳原子和卤素连在一起了 那么这个C X键是不容易断裂的 特别是C Cl键 而在有机合成中 我们经常需要向苯环上引入一些基团 由于C C之间的偶联非常困难 所以人们经常不得不 绕道 进行合成 首先在环状烃上引入目标基团 之后进行脱氢芳化 这样 舍近求远 自然是费力不讨好 于是 本文的主人公之一Heck变开始展示他的 神来之笔 了 他当时也就是无名小卒 从事的是冷门的过渡金属方面的研究 有一天 他利用等量的PdX2与有机汞试剂催化烯烃与卤代烃的偶联反应 反应时通过二价Pd与有机汞进行金属交换 从而形成Pd插入的卤代烃中间体 再与烯烃进行偶联 这种以有机汞为前体的Heck反应在室温下即可顺利进行 而且需要含有不饱和官能团的化合物如烯烃 羰基化学物等均可通过Pd的参与而进行C C偶联 当然 从反应式我们也可以看到上述发现的不足 1 采用了毒性高并且昂贵的有机汞试剂 2 需要当量的贵金属Pd 2 所以往往需要加入CuCl2重新氧化反应过程中形成的Pd 0 以满足Pd的催化用量 由于上述缺点的存在 影响了这类反应的推广 直到1968年 P Titton与J E Mckeon发现Pd 0 的膦配体与卤代芳烃氧化加成可以形成Ar Pd L2 X配合物 受这一发现的启发 Heck与Mizoroki几乎同时发现了催化量Pd催化烯烃的芳基化反应 也就是现在被广泛使用的Mizoroki Heck反应了 Mizoroki Heck