CH ActivationPPT学习教案

1、会计学1CH Activation当今碳氢活化领域的大牛余金权余金权斯克利普斯研究所斯克利普斯研究所 Scripps余金权教授是国际上C-H键活化领域最为活跃的华人学者。他的研究领域主要为：C-H键活化研究及其在新药研发和天然产物全合成领域的应用。他在惰性C-H键的选择性活化和重组研究方面开展了非常原创的工作，例如弱配位作用促进的金属钯催化的C-H键活化、远程C-H键活化和不对称催化的C-H键活化等。余金权教授已在Nature、Science、Nature Chemistry、JACS和ACIE等国际著名期刊上发表100多篇学术论文，并获得了Elias J. Corey Award（2014）

2、、Raymond and Beverly Sackler Prize in the Physical Sciences（2013）、ACS Cope Scholar Award（2012）、Mukaiyama Award（2012）等诸多国际著名奖项.第1页/共52页当今碳氢活化领域的大牛施章杰施章杰北京大学北京大学 施章杰博士的课题组研究致力于过渡金属催化的惰性化学键活化（C-H activation & C-O activation &）、小分子活化以及氮气固定的研究工作。在过去的十几年中，经典的贵金属催化的C-H活化已取得很大进展,施章杰博士课题组在前人工作的基础上对铁催

3、化C-H活化构建C-C键方法进行了较为系统的研究，先后实现了铁对苄位sp3C-H的活化，构建不同类型的C-C键，部分工作已经发表 (Angew. Chem. Int. Ed. 2009 48 3817-3820 Chem. Commun. 2009 6002-6004.)。在相关研究中，该课题组还发现并报道了铁催化剂可以彻底改变格式试剂与酯类化合物的反应路径，让化学家们重新审视“古老”的格式试剂的反应性。此项成果发表后受到了国内外同行的广泛关注(J. Am. Chem. Soc. 2009 131 14656-14657.)。 第2页/共52页经典的交叉偶联反应经典的交叉偶联反应1 通过通过C

4、-H键活化实现交叉偶联键活化实现交叉偶联2第3页/共52页v 这三名科学家因在有机合成领域中钯催化交叉偶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。类造出复杂的有机分子。 v 2010年年10月月6日，瑞典皇日，瑞典皇家科学院宣布家科学院宣布，美国科学家，美国科学家理查德理查德赫克和赫克和日本科学家根日本科学家根岸荣一及铃木岸荣一及铃木章共同获得今章共同获得今年的诺贝尔化年的诺贝尔化学奖。学奖。 1. 经典的

5、交叉偶联反应经典的交叉偶联反应第4页/共52页交叉交叉偶联偶联Suzuki偶联反应偶联反应 Sonogashira 偶联反应偶联反应Heck偶联反应偶联反应 Negishi偶联反应偶联反应 Hiyama偶联反应偶联反应Stille偶联反应偶联反应 第5页/共52页缺点及不足缺点及不足有机卤化物及拟卤化物在自然界中并非广泛存在，制备成本相对价昂贵。有机卤化物及拟卤化物在自然界中并非广泛存在，制备成本相对价昂贵。此类反应由于两个反应物一般是有机卤化物和有机金属化合物，产生的副产物较多，不利于环境友好。此类反应由于两个反应物一般是有机卤化物和有机金属化合物，产生的副产物较多，不利于环境友好。第6页/

6、共52页2. 通过通过C-H键活化实现交叉偶键活化实现交叉偶联联应用举例应用举例选择选择C-H键的理由及可行性分析键的理由及可行性分析C-H活化反应的基本类型活化反应的基本类型C-H活化反应活化反应反应体系介绍反应体系介绍C-H活化反应活化反应反应机理剖析反应机理剖析第7页/共52页选择选择C-H键的理由键的理由及可行性分析及可行性分析第8页/共52页CHHHHHHHC-H ActivationTransition-Metal CatalysisHydrocarbon -Abundant Energy IssueEnergy Source第9页/共52页物质物质甲烷甲烷乙烯乙烯乙炔乙炔苯苯键能

7、键能（kJ/mol）439.3 415.3564.4469.9几种物质C-H键的键能第10页/共52页化学键化学键CCl CBr CN CO 键能键能（kJ/mol）328276305326化学键化学键CP CS CSi CB 键能键能（kJ/mol）305272347393第11页/共52页NHAcHNHAcHHO3SNHAcNO2NHAcNH2NHAcN2NHAcXNHAcAr磺化 硝化去磺化还原重氮化卤化偶联传统过程传统过程Pd(), OxidantArB(OH)2 or ArSi(OMe)3直接芳基化直接芳基化第12页/共52页 R1-H + R2-X Cat.baseR1-R2R1-

8、H + R2-HCat.oxidantR1-R2R1-H + R2-M Cat. oxidantR1-R2v C-H键活化反应的基本类型键活化反应的基本类型 第13页/共52页反应体系反应体系 C-H Activation催化剂催化剂 氧化剂氧化剂 配体配体 碱碱 溶剂溶剂 其他添加剂其他添加剂 第14页/共52页第15页/共52页第16页/共52页第17页/共52页第18页/共52页第19页/共52页PPPPPh2PPh2PPh2PPh2i-Pri-Pri-PrPCy2第20页/共52页第21页/共52页甲苯甲苯二氧六环二氧六环DMFDMACDCEMeCN110.6101.1152.8165

9、83.782t-BuOHDMSONMPTHF乙酸乙酸邻二甲苯邻二甲苯82.518920366117144DMAC : N,N-dimethylacetamide(N,N-二甲基乙酰胺 ); DCE : 1,2-dichloroethane(1,2-二氯乙烷)NMP : N-methyl-2-pyrrolidinone(N-甲基-2-吡咯烷酮)第22页/共52页第23页/共52页 R1-H + R2-X Cat.baseR1-R2芳基卤化物对Pd(0) 的氧化加成往往是Mizoroki-Heck 反应、交叉偶联反应及Buchwald-Hartwig 胺化等反应的启动步骤，同样可以引入到C-H键官

10、能团化过程中来。第24页/共52页由芳基卤化物对Pd(0) 氧化加成得到钯() 中间体，由其作为亲电试剂，进攻富电子的C-H键发生亲电取代反应，在碱的作用下脱去质子，最后经还原消除得到最终产物并 再生Pd (0 ) 催化剂，完成催化循环C-H键与有机卤化物( 或拟卤化物) 的偶联机理第25页/共52页 sp2 C-H键与有机卤化物( 或拟卤化物) 的偶联Akita Y,Ohta A. Heterocycles,1982,19:329-331C.-H. Park, V. Ryabova, I. V. Seregin, A.W. Sromek, V. Gevorgyan, Org. Lett. 2

11、004, 6, 1159第26页/共52页Pd 催化新戊酸促进芳烃的芳基化反应机理M. Lafrance, K. Fagnou, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128,16496第27页/共52页 sp3C-H键与芳基卤化物的偶联Baudoin O,Herrbach A,Gueritte F. Angew. Chem. Int. Ed. ,2003，42: 57365740Lafrance M,Gorelsky S I,Fagnou K. J. Am. Chem. Soc. ,2007,129: 1457014571第28页/共52页 spC-H键与芳基卤化物的偶联Y. Gu

12、, X. Wang, Tetrahedron Lett. 2009, 50, 763766S. H. Kim, S. Chang, Org. Lett. 2010, 12, 18681871第29页/共52页R1-H + R2-HCat.oxidantR1-R2由于C-H键与有机卤化物( 或拟卤化物) 偶联反应过程中会生成当量的副产物酸，所以需要加入当量的碱中和;相比之下，Pd 催化通过两分子C-H键直接脱氢偶联实现C-H键的官能团化过程，显然是更符合原子经济性的，只需要加入一定量的氧化剂，就可避免这一缺陷，因而很早就得到了研究。第30页/共52页I. Moritani, Y. Fujiwar

13、a, Tetrahedron Lett. 1967, 8, 1119第31页/共52页钯() 物种对苯环C-H键亲电进攻，脱去质子，形成含C-Pd 键的中间体烯烃插入-H 消除，得到产物，并生成Pd(0)Pd(0)经氧化剂氧化，重新生成Pd()，完成催化循环第32页/共52页Grimster N P,Gauntlett C,Godfrey C R A,Gaunt M J. Angew. Chem. Int. Ed. ,2005，44: 31253129第33页/共52页Y.-H. Zhang, B.-F. Shi, J.-Q. Yu, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131,5

14、027第34页/共52页Shiotani A,Itatani H. Angew. Chem. Int. Ed. ,1974,13:471472Iida H,Yuasa Y, Kibayashi C. J. Org.Chem.,1980,45: 29382942Liegault B， Lee D,Huestis M P,Stuart D R,Fagnou K. J. Org. Chem.,2008,73: 50225028第35页/共52页Li R,Jiang L,Lu W. Organometallics,2006,25: 59735975第36页/共52页Cho S H,Hwang S J,

15、Chang S. J. Am. Chem. Soc. ,2008,130: 92549256第37页/共52页R1-H + R2-M Cat. oxidantR1-R2第38页/共52页:Pd() 催化剂首先与烷基或芳基CH键发生亲电取代反应，生成烷基钯() 或芳基钯() 物种烷基钯() 或芳基钯() 物种再与金属有机试剂发生转金属化反应经还原消除得到交叉偶联产物Pd(0)经氧化剂氧化，重新生成Pd()，完成催化循环第39页/共52页第40页/共52页过渡金属催化有机锡试剂与有机卤化物( 或拟卤化物) 的Stille 偶联反应已得到广泛的研究。一般地，与锡原子相连的4 个有机基团仅有1 个转移

16、至偶联产物中，其他3 个基团则扮演了“旁观者”的角色。尽管由于有机锡试剂的高毒性限制了其在某些方面的应用，但由于其良好的官能团容忍性、适中的反应活性与温和的反应条件，仍然广泛应用于合成中。第41页/共52页Kawai H,Kobayashi Y,Oi S,Inoue Y. Chem. Commun. ,2008，14641466S. Oi, S. Fukita, Y. Inoue, Chem. Commun. 1998, 2439第42页/共52页Chen X,Li J J,Hao X S,Goodhue C E,Yu J Q. J. Am.Chem. Soc. ，2006，128: 7879

17、第43页/共52页由于碳原子的电负性仅略高于硅原子，C-Si键极性较低，因而与其他金属有机试剂相比，有机硅试剂参与的Hiyama 反应活性相对较低，官能团容忍性较好。通常需要加入氟化物活化C-Si键，以促进反应进行。S. Yang, B. Li, X.Wan, Z. Shi, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6066第44页/共52页有机硼化合物由于其价廉易得、对氧气和湿气稳定、毒性低、操作容易，因而在有机合成中应用广泛。近年来，Pd 催化的包括硼酸、硼酸酐、硼酸酯以及三氟硼酸盐等多种有机硼化合物参与的Suzuki-Miyaura 交叉偶联反应的研究已得到了极大的发展。第45页/共52页Chen X,Goodhue C E,Yu J Q. J. Am. Chem. Soc.,2006,128: 1263412635第46页/共52