有机反应机理第九章.ppt

1、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,9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算,9.1.2 键和键,9.1.1 18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 + dn V,式中：Nligand为配体提供的电子数

2、,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 (carbenes or alkylidene groups), RN(imido groups), or O(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,18 16 18,9.1.2 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

3、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

4、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

5、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

6、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, R F Heck, 1970,R = aryl, benzyl, alkenyl, alkyl(no hydrogen),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,I Br OTf Cl,对于有

7、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（oxidative addition),还原消除（reductive elimination),转移金属化（transmetallation),插入(insertion)和氢消除(-hydride elimination),Heck反应合成lasiodiplodin,A potent anticancer macrocyclic natural product,Frstner, A., Thiel, O. R., Kindler, N., Bartkowska, B. Total Syn

8、theses of (S)-(-)-Zearalenone and Lasiodiplodin Reveal Superior Metathesis Activity of Ruthenium Carbene Complexes with Imidazol-2-ylidene Ligands. J. Org. Chem. 2000, 65, 7990-7995,参考文献,卤代烃与炔烃的偶联,Castro-Stephens偶联,In the early 1960s, R.D. Stephens and C.E. Castro discovered that disubstituted acety

9、lenes were produced in good yield upon treatment of aryl iodides with stoichiometric amounts of copper(I) acetylides under a nitrogen atmosphere in refluxing pyridine,The copper(I) mediated coupling of aryl or vinyl halides with aryl- or alkyl-substituted alkynes is known as the Castro-Stephens coup

10、ling.,Castro-Stephens偶联的机理,The reaction is believed to proceed via a four-centered transition state,Castro-Stephens偶联的缺点,Most copper(I) salts are insoluble in organic solvents, so the reactions are often hetero-geneous and require high reaction temperatures,The reactions are sensitive to functional

11、groups on the aryl halides, and the yields are often irreproducible,Castro-Stephens偶联合成tribenzocyclotriyne,Kinder, J. D., Tessier, C. A., Youngs, W. J. Synthesis of a para-methoxy substituted tribenzocyclotriyne. Synlett 1993, 149-150,参考文献,Sonogashira偶联，1975,Catalytic version of the Castro-Stephens

12、coupling,Pd-catalyst: Pd(PPh3)2Cl2 or Pd(PPh3)4,Cu(I)-salt: CuI or CuBr,base: Et2NH, Et3N, (i-Pr)2NEt,solvent: MeCN, THF, EtOAc,Sonogashira偶联的机理,Sonogashira偶联的特点,The coupling can usually be conducted at or slightly above room temperature,The handling of the shock-sensitive/explosive copper acetylide

13、s is avoided by the use of a catalytic amounts of copper(I) salt,Sonogashira偶联的特点（续）,The solvents and the reagents do not need to be rigorously dried. However, a thorough deoxygenation is essential to maintain the activity of the Pd-catalyst,The order of reactivity for the aryl and vinyl halides is

14、I OTf Br Cl,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. A Concise Formal Total Synthesis of Mappicine and Nothapodytine B via an Intramolecular Hetero Diels-Alder Reaction. 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，

15、Suzuki偶联,1979年，A Suzuki和N Miyaura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：

16、,氧化加成（oxidative addition),还原消除（reductive elimination),转移金属化（transmetallation),芳基硼酸酯与卤代芳烃偶联合成TMC-95A,Proteasome inhibitor,Lin S, Danishefsky S J. The total synthesis of proteasome inhibitors TMC-95A and TMC-95B: discovery of a new method to generate cis-propenyl amides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002,

17、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, M Kumada 和R J P Corriu, 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

18、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,Synthesis of 18dehydrodesoxyepothlione B,参考文献,Alexey R, Jon T N, Kaustav B, Ting-Chao Chou, and Samuel J D. Total Syntheses of 17- and 18Dehydrodesoxyepothilones B via a Concise Ring-Closing Metathesis-Based Strategy: Correlation of R

19、ing Size with Biological Activity in the Epothilone Series. J Org Chem, 2002, 67(22): 7737-7740,卤代烃与有机锌的偶联,Negishi偶联, E Negishi, 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,Both Ni- and Pd phosphine complexes work well as catalysts. However, the Pd-catalysts tend to give somewhat higher yields

20、 and better stereoselectivity, and their functional group tolerance is better,钯的催化效果较镍好,Negishi偶联反应的特点（续）,Of all the various organometals (Al, Zr, B, Sn, Cu, Zn), organozincs are usually the most reactive in Pd-catalyzed cross-coupling reactions and do not require the use of additives (e.g., bases a

21、s in Suzuki cross couplings) to boost the reactivity,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）,Greater functional group tolerance in both coupling partners than in the Kumada cross-coupling where more basic organolithiums and Grignard reagents are utilized as coupling partners,有机锌化合物碱

22、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）,Other advantages of the use of organozincs include: high reactivity, high regio-, and stereoselectivity, wide scope and applicability, few side reactions and almost no toxicity,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,Jeannie R. P. Cetusic, Frederick R. Green III, Paul R. Graupner, and M. Paige Oliver. Total Synthesis of Hectochlorin. 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，J K stille,Stille偶联的机理,Stille偶联反应的特点,Organostannanes are no