有機(jī)合成鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)

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1、有機(jī)合成中鈀的催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)20102401046吳健華摘要：2010年諾貝爾化學(xué)獎授予給美國化學(xué)家理查德·赫克、日本化學(xué)家根岸英一和鈴木章，以表彰其發(fā)現(xiàn)的鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)，更有效的連接碳原子以構(gòu)建復(fù)雜分子。鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)，用于碳碳鍵形成的重要化學(xué)反應(yīng)，因其反應(yīng)條件溫和，化學(xué)選擇性高，副產(chǎn)品少，在有機(jī)合成領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。本文綜合概述了鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理與發(fā)展，并對其應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景作簡單介紹。關(guān)鍵詞：鈀催化；交叉偶聯(lián)反應(yīng)；反應(yīng)機(jī)理；碳碳鍵；有機(jī)合成；引言:碳是構(gòu)成生命體的重要組成物

2、質(zhì)，而這些物質(zhì)是以C-C單鍵或雙鍵為基礎(chǔ)，形成各種形式的碳胳化合物，組成生命體的各個部分。而經(jīng)過多年來的探究與改進(jìn)，美國化學(xué)家理查德·赫克、日本化學(xué)家根岸英一及鈴木章在有機(jī)合成中取得重大貢獻(xiàn)與研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)，有效地連接碳原子，為構(gòu)造更復(fù)雜的分子提供反應(yīng)方法。因此于2010年，諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給他們?nèi)辉谟袡C(jī)合成中杰出并取得重大貢獻(xiàn)的有機(jī)化學(xué)家，以表彰他們在有機(jī)合成領(lǐng)域中所取得的卓越成就。鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)，作為五個被授予諾貝爾化學(xué)獎反應(yīng)之一，其重要性則不言而喻。前四個反應(yīng)分別是

3、Grignard反應(yīng)(格氏反應(yīng)，1912年)，Diels-Alder反應(yīng)(迪爾斯-阿爾德反應(yīng)，1950年)，Wittig反應(yīng)(葉立德、維蒂斯反應(yīng)，1979年)和Olefinmetathesis反應(yīng)(烯烴的轉(zhuǎn)位反應(yīng)，2005年)。在鈀催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)中，反應(yīng)步驟縮短，所需條件溫和，副產(chǎn)品少，且可使大量的官能團(tuán)在進(jìn)程中得以保留而不被破壞，是一種可靠、實(shí)用的工具，廣泛應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)及制藥工業(yè)中,對有機(jī)合成具有長久和深遠(yuǎn)的影響力,得到合成化學(xué)者的普遍應(yīng)用。一、鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理與發(fā)展1.格氏試劑—

4、—拉開鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的序幕有機(jī)合成化學(xué)所構(gòu)造出來的物質(zhì)大部分都是以碳胳為骨架所構(gòu)建起來的，然而碳原子本身十分穩(wěn)定，在化學(xué)反應(yīng)中并不活潑。因此化學(xué)家們希望通過各種化學(xué)反應(yīng)，來激活碳原子，使其更容易參與到反應(yīng)中并與其它碳原子相連，構(gòu)造更復(fù)雜的有機(jī)物。通過多年的嘗試與努力，Grignard（格林尼亞）發(fā)明了有機(jī)鎂試劑（即格氏試劑），并利用其活化了碳原子，成功將碳原子連接在一起。以下為利用格氏試劑所進(jìn)行的烷基化反應(yīng)：R-Mg-X+R1-CH2-X→R-CH2-R1+X-Mg-X（X為鹵素Cl、Br、

5、I等）格氏試劑的發(fā)明，將有機(jī)合成發(fā)展向前推進(jìn)了一大步，使得合成烷烴、醇、醛以及羧酸等有機(jī)物變得更加簡單可行；同時(shí)，格氏試劑可用于將碳原子進(jìn)行偶合來增長碳鏈，為大分子的合成拉開了序幕。但是，格氏反應(yīng)也存在著不少的缺點(diǎn)：格氏試劑具有高度活潑性，會與幾種不同的碳原子反應(yīng)，反應(yīng)無法控制，而導(dǎo)致反應(yīng)的選擇性較差，產(chǎn)生過多不需要副產(chǎn)品。因此，如何將活潑的碳原子按指定的方向進(jìn)行連接，成為了化學(xué)家們迫切需要攻克的課題，也為以后的鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)拉開序幕。1.赫克反應(yīng)——鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的基礎(chǔ)1968年

6、，Heck（赫克）發(fā)表了一系列研究論文，報(bào)道了以鈀為催化劑，首先與氯苯生成苯基氯化鈀，后者再與乙烯發(fā)生加成反應(yīng)，隨后發(fā)生消除反應(yīng)，最終將苯環(huán)連接到乙烯分子上，從而得到目標(biāo)產(chǎn)物苯乙烯，如下反應(yīng)歷程：隨后經(jīng)過進(jìn)一步的優(yōu)化研究，赫克對這個反應(yīng)進(jìn)行了修改，擴(kuò)大了該反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用范圍，成為構(gòu)建C-C單鍵最重要的反應(yīng)之一，并以他自己的名字赫克對反應(yīng)命名。赫克反應(yīng)的機(jī)理赫克反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理如下（見右圖）：反應(yīng)開始，活潑的鈀Pd(0)催化劑與鹵代烴發(fā)生被稱為氧化－加成的反應(yīng)，在這步反應(yīng)中，生成了R-Pd-

7、X，鈀的氧化態(tài)形式上從(0)轉(zhuǎn)化為(Ⅱ)，也就意味著生成了Pd-C鍵；第二步，烯烴與鈀配位，此時(shí)烯烴和R基團(tuán)同時(shí)與鈀連接，這樣就使它們能夠相互發(fā)生反應(yīng)；第三步，R基團(tuán)遷移到烯烴的碳原子上，而鈀同時(shí)與烯烴的另一個碳原子相連，這一步稱為遷移－插入，結(jié)果生成了C-C鍵；第四步，R替換了底物烯烴上的一個氫原子，即通過消除烯烴的β－H得到了一個新的取代烯烴，同時(shí)還生成了HPdX，它隨即失去HX得到Pd(0)，進(jìn)入另一次催化循環(huán)。赫克反應(yīng)與格氏反應(yīng)相比，具有更好的化學(xué)選擇性，減少反應(yīng)的副產(chǎn)物，而且赫克反應(yīng)在

8、常溫下進(jìn)行，反應(yīng)條件溫和，對于工業(yè)生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。不過赫克反應(yīng)的局限之處在于，它往往只能用于有機(jī)合成中碳碳單鍵的合成，在合成一些更大的分子時(shí)會顯示出其缺陷及產(chǎn)生較多的副產(chǎn)物?；瘜W(xué)家們并不滿足于停留在當(dāng)前的成果中，而是孜孜不倦地進(jìn)一步改進(jìn)鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)。1.根岸反應(yīng)——鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的改進(jìn)1976年，日本化學(xué)家根岸英一對化學(xué)選擇性更好的、用于鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)的有機(jī)金屬化合物進(jìn)行研究，結(jié)果他以有機(jī)鋅化合物作為反應(yīng)的親核試劑，取得突破性的進(jìn)展：使用了有機(jī)鋅化合物代替了在赫克反應(yīng)中所用