Suzuki反應(yīng)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

朱麗萍，左治鈞，秦瑩穎

(西北大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院/合成與天然功能分子化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

Pd催化下的C－C鍵交叉偶聯(lián)反應(yīng)是一類極其重要且應(yīng)用很廣的有機(jī)催化反應(yīng)，它是從易得的原料合成復(fù)雜天然產(chǎn)物的必要方法［1］。其核心內(nèi)容是 Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)［2］，即通過(guò)Pd的金屬催化，將鹵代芳香烴與有機(jī)硼試劑作用，成功實(shí)現(xiàn)C(aryl)－C(aryl)鍵的偶聯(lián)(見(jiàn)圖1)。

圖1 C(Aryl)－C(Aryl)鍵的偶聯(lián)

近年來(lái)，鈀催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)已廣泛應(yīng)用于制藥、電子工業(yè)和先進(jìn)材料等領(lǐng)域。例如借助Suzuki反應(yīng)，科學(xué)家們?nèi)斯ず铣闪怂６舅剡@個(gè)巨型分子［3］。在2010年，科學(xué)家們又將Suzuki和Negishi的偶聯(lián)反應(yīng)聯(lián)合應(yīng)用，合成了聚酮類天然產(chǎn)物似蛇霉素。

目前對(duì)于Suzuki反應(yīng)機(jī)理尚存在爭(zhēng)論，其中近年來(lái)提出的鈀催化循環(huán)機(jī)理是最被廣為接受的，但其中堿的加入作用仍不明確。在其配體合成方面，雜環(huán)配體的發(fā)現(xiàn)使得催化效率大大提高。

1 SUZUKI反應(yīng)機(jī)理

雖然Suzuki交叉偶聯(lián)反應(yīng)已被廣泛使用，但因其反應(yīng)很難從單純的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中得出，且反應(yīng)過(guò)程中伴隨著大量的中間體和化學(xué)平衡，使得對(duì)其機(jī)理的探索仍主要依賴于大量的反復(fù)試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用以及計(jì)算化學(xué)飛速發(fā)展，針對(duì)Suzuki反應(yīng)，多種假設(shè)機(jī)理被提出。其中最被廣泛接受的是催化循環(huán)機(jī)理［4］(見(jiàn)圖2):

該反應(yīng)通常會(huì)經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程:氧化加成、芳基陰離子 向金屬中心遷移和還原消除。首先，鹵代芳烴R1－X與Pd(0)發(fā)生氧化加成，得到R1PdX中間體。之后，該中間體與一分子堿作用，得到中間體R1PdOH。同時(shí)，另一分子的堿與硼酸作用生成硼酸鹽，使得芳基具有更強(qiáng)的富電性，有利于芳基向R1PdOH中間體的金屬原子遷移，從而得到配合物中間體R1PdR2。該中間體再經(jīng)過(guò)還原消除，得到芳基偶聯(lián)產(chǎn)物R1－R2和零價(jià)鈀，完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。

圖2 Suzuki反應(yīng)假設(shè)機(jī)理圖

起初，堿在 Suzuki反應(yīng)中的作用尚不明確。2005年，Braga，A.等人證實(shí)了堿的缺乏會(huì)造成Suzuki反應(yīng)無(wú)法順利進(jìn)行［5］。發(fā)現(xiàn)若不在反應(yīng)中添加堿，反應(yīng)位壘將高達(dá)44kcal.mol－1。針對(duì)堿在 Suzuki反應(yīng)中具體的作用，Braga.A.等人提出了兩種主要的假設(shè):一種是堿先進(jìn)攻硼酸R2－B(OH)2，生成硼酸鹽R2－B－(OH)3;另一種是堿進(jìn)攻R1PdX中間體，使得X－基團(tuán)離開(kāi)，生成R1－PdOH(見(jiàn)圖3)。

圖3 Suzuki反應(yīng)中堿的反應(yīng)機(jī)理

針對(duì)這兩種假設(shè)，Braga.A.等人又設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)，即使用［Pd(CH2=CH－)(Br)(Ph3)2］，CH2=CH－B(OH)2和OH_作為反應(yīng)物來(lái)進(jìn)行偶聯(lián)。對(duì)于第一種假設(shè)，其過(guò)渡態(tài)［Pd(CH2=CH)2(Ph3)2］，B(OH)3和游離的 Br－被觀測(cè)到，其計(jì)算得出的能量差在224kcal.mol－1左右，很好的解釋了堿在反應(yīng)中的作用。而第二種假設(shè)無(wú)法定位到中間體R1－PdOH，因此得出結(jié)論，堿的作用是使硼酸變?yōu)榕鹚猁}，從而推動(dòng)了催化循環(huán)。

但在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配體是PPh3或?qū)⒁蚁┗鶕Q為苯基時(shí)［6］，假設(shè)1的合理性遭到了質(zhì)疑，在這些情況下，假設(shè)2被認(rèn)為是更加合適的解釋。目前認(rèn)為這兩種假設(shè)的機(jī)理存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，其機(jī)理仍需進(jìn)一步的研究。

2 SUZUKI反應(yīng)配體

因P是很好的給電子體，所以Suzuki反應(yīng)常用的催化劑是含膦的絡(luò)合物，如Pd(PPh3)4。催化劑(前體)Pd(PPh3)4在進(jìn)入催化循環(huán)前還需進(jìn)行兩次連續(xù)的配體解離，從而變成含14個(gè)電子的催化絡(luò)合物Pd0(PPh3)2。這種絡(luò)合物，由于其價(jià)位和配位數(shù)低，往往很不穩(wěn)定，且生成時(shí)存在較大的能量壁壘，使其形成不易。于是人們希望設(shè)計(jì)出一種“聰明的催化劑”，它們?cè)谶M(jìn)入催化循環(huán)時(shí)，不需克服巨大的能量壁壘，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)仍具有高的催化活性。

近年來(lái)，越來(lái)越多雜環(huán)配體［7］和其他的一些低價(jià)位金屬的使用，很好的解決了這一問(wèn)題。雜環(huán)配體的價(jià)位和配位數(shù)可變，使其可以靈活地調(diào)節(jié)變化，從而滿足催化循環(huán)中各個(gè)不同的階段。更為值得肯定的是，這種配體不僅維持了催化的高效率，它還保護(hù)了催化中間體。

2.1 無(wú)膦配體

早期的無(wú)膦催化劑，如［N，N］－二茂鐵配體［8］，其富含電子，與傳統(tǒng)的有機(jī)膦配體相似，是一種很好的σ－電子供體，但［N，N］－二茂鐵配體給電子能力強(qiáng)，可與過(guò)渡金屬形成穩(wěn)定性更高的化合物。這些配合物在空氣和水中穩(wěn)定性好，表現(xiàn)出更優(yōu)越的催化性能。其它的一些相關(guān)研究也隨之出現(xiàn)，如N－卡賓配體、咪唑、鈀粉、N配位的鈀體系、無(wú)金屬體系、無(wú)配位體體系。

配體Fe(η－C5H4N=CHPh)2(1)在室溫下易與PdCl2(MeCN)2生成穩(wěn)定的螯合物PdCl2Fe(η－C5H4N=CHPh)2(2)［9］(圖 4)。該螯合物 PdCl2Fe(η－C5H4N=CHPh)2在芳香碘代物和芳香溴代物與芳香硼試劑的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，易于從水相中分離，且分離后仍可重復(fù)使用4－5次左右。

圖4 無(wú)膦配體Fe(η－C5H4N=CHPh)2

2.2 N雜環(huán)卡賓配體(NHCs)

1991年，Arduengo研究小組分離出首個(gè)穩(wěn)定的游離態(tài)N－雜環(huán)卡賓(NHCs)［10］。NHCs一般以單線態(tài)形式存在，C原子采用sp2雜化形式，卡賓C原子周圍只有六個(gè)電子，是一個(gè)缺電子體系。從誘導(dǎo)效應(yīng)考慮，兩個(gè)電負(fù)性較大的氮原子與卡賓碳相連，氮原子的吸電子作用使卡賓碳原子上的孤對(duì)電子趨于穩(wěn)定。從共軛效應(yīng)考慮，兩個(gè)氮原子p軌道上的孤對(duì)電子和卡賓碳原子上的空p軌道發(fā)生給電子共軛效應(yīng)，從而降低了卡賓碳原子的缺電子性。

獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)特征使得它幾乎能夠與周期表中的所有元素進(jìn)行反應(yīng)。作為一類過(guò)渡金屬配體，NHCs的化學(xué)穩(wěn)定性和配位多樣性是其迅速發(fā)展的最主要的兩個(gè)原因。鑒于NHCs的多樣性及 NHC—M鍵的特殊穩(wěn)定性，以多NHC為配體可以制備得到許多具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的NHC金屬配合物，從而產(chǎn)生新的性質(zhì)。咪唑鹽與強(qiáng)堿作用脫質(zhì)子后與金屬離子反應(yīng)，或咪唑鹽與金屬氧化物直接反應(yīng)是制備NHC金屬配合物的最常用和有效的方法［11］。

2.3 P，O 與 P，N 雜環(huán)配體

目前卡賓配體在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中使用的越來(lái)越廣泛。這些配體具有強(qiáng)的給電子能力，且能生成穩(wěn)定的催化劑，但在配位靈活性上仍存在不足。

Buchwald等人于是合成了 P，O與 P，N的雜環(huán)配體(5)［12］。這種鈀復(fù)合物的新配體，它有效地催化了芳香硼酸化合物和芳香鹵代物。Milstein等人則使用了多電子，大位阻的芐基膦配體(6)去穩(wěn)定不飽和的 Pd(0)、Pd(I)、Pd(II)。其苯環(huán)上所連的兩個(gè)對(duì)稱臨近的甲基基團(tuán)，則體現(xiàn)了這類配體它的半不穩(wěn)效應(yīng)［13］。其它在Suzuki反應(yīng)中所使用的P－O和P－N類雜環(huán)配體還有(7)、(8)、(9)、(10)等化合物(見(jiàn)圖5)。

圖5 P，O與P，N的雜環(huán)配體

3 結(jié)語(yǔ)

Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)具有很多優(yōu)點(diǎn):其反應(yīng)底物易得，反應(yīng)條件溫和，在水和空氣條件下穩(wěn)定，可允許多種活性官能團(tuán)的存在，副產(chǎn)物毒性小且后處理容易，是實(shí)現(xiàn)C(aryl)－C(aryl)鍵偶聯(lián)的理想方法。

對(duì)于鈀的催化反應(yīng)，它們的應(yīng)用相對(duì)還十分有限，因而還需要進(jìn)一步的發(fā)展來(lái)擴(kuò)大偶聯(lián)反應(yīng)在工業(yè)上的應(yīng)用。

在未來(lái)的發(fā)展上，將有以下幾個(gè)方面仍需探究::(1)尋找更好的催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)反應(yīng)的綠色性和原子經(jīng)濟(jì)性;(2)如何獲得更多可以應(yīng)用鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)的鹵代烴和烯烴;(3)將C－C鍵偶聯(lián)反應(yīng)的概念應(yīng)用于更多的其他原子間的偶聯(lián)。

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