过渡金属络合物的基本反应和催化机理.ppt

第9章过渡金属络合物的基本反应和催化机理,9.1过渡金属络合物的结构,9.2过渡金属络合物的基本反应,9.3过渡金属催化反应实例,9.1过渡金属络合物的结构,9.1.118电子规则和中心原子价壳层电子数的计算,9.1.2键和键,9.1.118电子规则和中心原子价壳层电子数的计算,过渡金属络合物可利用d轨道成键，稳定结构是价壳层电子数为18，称为18电子规则,与八隅体规则不同的是，许多价壳层电子数小于18的过渡金属络合物也能稳定存在,价壳层电子数大于18的过渡金属络合物不能稳定存在,价壳层电子数N的计算,N=Nligand+dnV,式中：Nligand为配体提供的电子数,dn为中心原子d电子数,V为络合物所带电荷数,常见配体的电子数,单电子配体：R,H,R2N,halogen,etc.,双电子配体：R2C(carbenesoralkylidenegroups),RN(imidogroups),orO(oxide)，以键配位的烯烃以及R3N,RCN,H2O,R3P等Lewis碱,多电子配体：烯丙基（3)，丁二烯（4），环戊二烯基(cp,5),苯（6）等,计算以下反应中各络合物的价壳层电子数,181618,9.1.2键和键,键：沿键轴对称,键：沿键轴反对称,给予键：键,反馈键：键,配位键的表示法,9.2过渡金属络合物的基本反应,9.2.2氧化加成和还原消除反应,9.2.3迁移插入和氢消除反应,9.2.1配体的配位和解离,9.2.4转移金属化反应,9.2.1配体的配位和解离,9.2.2氧化加成和还原消除反应,单电子氧化加成和双电子氧化加成,单电子氧化加成,双电子氧化加成,单电子氧化加成和双电子氧化加成,Vaska络合物的各类双电子氧化加成反应如下,氧化加成的机理,氢的氧化加成：协同机理,氧化加成的机理（续）,卤代烃的氧化加成：亲核机理或自由基机理,亲核机理的实验证据,取代基效应中心原子上的给电子配体，卤代烃分子中的吸电子基团对反应有利,R的立体化学构型转化,注意：d0络合物不能发生氧化加成反应,影响氧化加成的因素,氧化加成是中心原子氧化态升高的过程，任何使中心原子电子云密度升高的因素都会对氧化加成产生有利的影响,对于同系物的同类型氧化加成反应，可根据以下规则判别反应的难易,影响氧化加成的因素（续）,中心原子氧化态越低，越有利于氧化加成,中心原子所在周期数越高，越有利于氧化加成,中心原子已有配体供电性越强，越有利于氧化加成,影响氧化加成的因素（续）,配位不饱和的络合物容易发生氧化加成反应,配位饱和的络合物发生氧化加成时，必须先离解出一个配体，生成配位不饱和的中间体，方可反应,氧化加成的逆反应：还原消除,还原消除反应中，中心原子的氧化态和配位数均降低。中心原子电子云密度高低对还原消除反应的影响与对氧化加成反应的影响相反,形成CC或CH键的还原消除往往是催化过程的最后一步,还原消除的机理,形成CC或CH键的还原消除通常为协同机理,9.2.3迁移插入和氢消除反应,烯氢插入,氢消除是烯氢插入的逆反应,烯烷基插入,迁移基团R构型保持,对烯烃来说，为同向加成,Markownikoff加成和反Markownikoff加成,羰基插入,9.2.4转移金属化反应,9.3.1卤代烃与不饱和烃的偶联,卤代烃与炔烃的偶联（Sonogashira偶联）,卤代烃与烯烃的偶联(Heck反应）,9.3过渡金属催化反应实例,卤代烃与硼烷的偶联(Suzuki偶联),卤代烃与格林亚试剂的偶联(Kumada偶联),9.3.2卤代烃与金属有机化合物的偶联,卤代烃与有机锌的偶联(Negishi偶联),卤代烃与有机锡的偶联(Still偶联),9.3.1卤代烃与不饱和烃的偶联,卤代烃与烯烃的偶联,RFHeck,1970,R=aryl,benzyl,alkenyl,alkyl(nohydrogen),Heck反应的特点,烯烃中取代基电性对反应影响不大，有吸电基的烯烃收率略高；取代基越多，反应越慢,烯丙醇在反应中会发生重排,反应通常在膦配体和碱存在下进行，对水不敏感,Heck反应的特点（续）,RX的反应速率按以下顺序递减，氯代烃反应慢,IBrOTfCl,对于有氢的卤代烃，易发生氢消除生成烯烃,Heck反应的机理,由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：,氧化加成（oxidativeaddition),还原消除（reductiveelimination),转移金属化（transmetallation),插入(insertion)和氢消除(-hydrideelimination),Heck反应合成lasiodiplodin,Apotentanticancermacrocyclicnaturalproduct,Frstner,A.,Thiel,O.R.,Kindler,N.,Bartkowska,B.TotalSynthesesof(S)-(-)-ZearalenoneandLasiodiplodinRevealSuperiorMetathesisActivityofRutheniumCarbeneComplexeswithImidazol-2-ylideneLigands.J.Org.Chem.2000,65,7990-7995,参考文献,卤代烃与炔烃的偶联,Castro-Stephens偶联,Intheearly1960s,R.D.StephensandC.E.Castrodiscoveredthatdisubstitutedacetyleneswereproducedingoodyieldupontreatmentofaryliodideswithstoichiometricamountsofcopper(I)acetylidesunderanitrogenatmosphereinrefluxingpyridine,Thecopper(I)mediatedcouplingofarylorvinylhalideswitharyl-oralkyl-substitutedalkynesisknownastheCastro-Stephenscoupling.,Castro-Stephens偶联的机理,Thereactionisbelievedtoproceedviaafour-centeredtransitionstate,Castro-Stephens偶联的缺点,Mostcopper(I)saltsareinsolubleinorganicsolvents,sothereactionsareoftenhetero-geneousandrequirehighreactiontemperatures,Thereactionsaresensitivetofunctionalgroupsonthearylhalides,andtheyieldsareoftenirreproducible,Castro-Stephens偶联合成tribenzocyclotriyne,Kinder,J.D.,Tessier,C.A.,Youngs,W.J.Synthesisofapara-methoxysubstitutedtribenzocyclotriyne.Synlett1993,149-150,参考文献,Sonogashira偶联，1975,CatalyticversionoftheCastro-Stephenscoupling,Pd-catalyst:Pd(PPh3)2Cl2orPd(PPh3)4,Cu(I)-salt:CuIorCuBr,base:Et2NH,Et3N,(i-Pr)2NEt,solvent:MeCN,THF,EtOAc,Sonogashira偶联的机理,Sonogashira偶联的特点,Thecouplingcanusuallybeconductedatorslightlyaboveroomtemperature,Thehandlingoftheshock-sensitive/explosivecopperacetylidesisavoidedbytheuseofacatalyticamountsofcopper(I)salt,Sonogashira偶联的特点（续）,Thesolventsandthereagentsdonotneedtoberigorouslydried.However,athoroughdeoxygenationisessentialtomaintaintheactivityofthePd-catalyst,TheorderofreactivityforthearylandvinylhalidesisIOTfBrCl,Sonogashira偶联合成mappicine,Camptothecin，喜树碱用于治疗胃癌、肠癌，慢性粒细胞型和急性白血病等,Toyota,M.,Komori,C.,Ihara,M.AConciseFormalTotalSynthesisofMappicineandNothapodytineBviaanIntramolecularHeteroDiels-AlderReaction.J.Org.Chem.2000,65,7110-7113.,参考文献,9.3.2卤代烃与金属有机化合物的偶联,卤代烃与硼烷的偶联，Suzuki偶联,1979年，ASuzuki和NMiyaura发现在钯催化下硼烷可与卤代烯烃偶联，生成E烯烃,后来，就把钯催化下硼烷与有机卤化物或三氟甲磺酸酯的偶联称作Suzuki偶联,Suzuki偶联反应的特点,硼烷或硼酸酯毒性小,反应有好的立体选择和区域选择性,反应条件温和，水对反应干扰小,后处理简单，无机副产物易除去,Suzuki偶联反应的缺点,卤代烷和芳香族卤代烃反应性不好,反应需碱催化，可能导致外消旋化等副反应,有时可能会生成一些自偶联副产物,Suzuki偶联反应的改进,发展有利于芳烃和卤代烷烃偶联的催化体系,Suzuki偶联反应的机理,由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：,氧化加成（oxidativeaddition),还原消除（reductiveelimination),转移金属化（transmetallation),芳基硼酸酯与卤代芳烃偶联合成TMC-95A,Proteasomeinhibitor,LinS,DanishefskySJ.ThetotalsynthesisofproteasomeinhibitorsTMC-95AandTMC-95B:discoveryofanewmethodtogeneratecis-propenylamides.AngewChemIntEdEngl.2002,41(3):512-515,参考文献,Miyaura硼酸化反应(1993-1995),Miyaura硼酸化反应机理,卤代烃与格林亚试剂的偶联,Kumada偶联,MKumada和RJPCorriu,1972,镍膦络合物催化下，卤代烯烃或卤代芳烃与格林亚试剂的偶联,改用钯膦络合物催化，可实现卤代烯烃或卤代芳烃与有机锂的偶联,Kumada偶联反应的特点,对于镍催化的偶联，配体的种类对活性有影响,Kumada偶联反应的特点（续）,有氢的烷基格林亚试剂不会发生氢消除,仲烷基格林亚试剂可能异构化，生成伯烷基产物,dppf为配体可加速氢消除和还原消除，抑制仲烷基的异构化，可用于仲烷基格林亚试剂的偶联,卤代烯烃的构型保持,镍催化Kumada偶联反应的机理,钯催化Kumada偶联反应的机理,Kumada偶联反应合成应用实例,Synthesisof18dehydrodesoxyepothlioneB,参考文献,AlexeyR,JonTN,KaustavB,Ting-ChaoChou,andSamuelJD.TotalSynthesesof17-and18DehydrodesoxyepothilonesBviaaConciseRing-ClosingMetathesis-BasedStrategy:CorrelationofRingSizewithBiologicalActivityintheEpothiloneSeries.JOrgChem,2002,67(22):7737-7740,卤代烃与有机锌的偶联,Negishi偶联,ENegishi,1976,镍催化Negishi偶联机理,钯催化Negishi偶联机理,Negishi偶联反应的特点,BothNi-andPdphosphinecomplexesworkwellascatalysts.However,thePd-catalyststendtogivesomewhathigheryieldsandbetterstereoselectivity,andtheirfunctionalgrouptoleranceisbetter,钯的催化效果较镍好,Negishi偶联反应的特点（续）,Ofallthevariousorganometals(Al,Zr,B,Sn,Cu,Zn),organozincsareusuallythemostreactiveinPd-catalyzedcross-couplingreactionsanddonotrequiretheuseofadditives(e.g.,basesasinSuzukicrosscouplings)toboostthereactivity,有机锌的钯催化偶联活性高，不需加助催化剂（如Suzuki偶联需碱作助催化剂）,Negishi偶联反应的特点（续）,GreaterfunctionalgrouptoleranceinbothcouplingpartnersthanintheKumadacross-couplingwheremorebasicorganolithiumsandGrignardreagentsareutilizedascouplingpartners,有机锌化合物碱性小于格林亚试剂和有机锂，官能团容忍度较Kumada偶联好,Negishi偶联反应的特点（续）,Otheradvantagesoftheuseoforganozincsinclude:highreactivity,highregio-,andstereoselectivity,widescopeandapplicability,fewsidereactionsandalmostnotoxicity,与Still偶联比较，有机锌毒性小于有机锡,Negishi偶联合成天然抗菌药(-)-hectochlorin,JeannieR.P.Cetusic,FrederickR.GreenIII,PaulR.Graupner,andM.PaigeOliver.TotalSynthesisofHectochlorin.Org.Lett.,2002,4(8):13071310,参考文献(见41),卤代烃与有机锡的偶联,Stille偶联，1978，JKstille,Stille偶联的机理,Stille偶联反应的特点,Org