鈀催化的碳—碳偶聯(lián)反應(yīng)研究簡介

摘 要：在有機(jī)化學(xué)中，C-C鍵的形成是有機(jī)合成研究的重要內(nèi)容，而過渡金屬鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)則是形成C-C鍵的一種有效手段。目前鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)已在科研、醫(yī)藥生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。偶聯(lián)反應(yīng)的種類較多，文章主要內(nèi)容是簡單介紹過渡金屬鈀在以下幾種碳碳偶聯(lián)反應(yīng)以及合成中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鈀催化；碳-碳鍵；偶聯(lián)反應(yīng)

前言

與一般催化劑相同，過渡金屬催化的有機(jī)反應(yīng)也只是改變了化學(xué)反應(yīng)的速度，降低了反應(yīng)的活化能，使原來難于發(fā)生的反應(yīng)變得容易進(jìn)行。

過渡金屬催化的有機(jī)反應(yīng)常常具有很高的選擇性，這種選擇性決定了其在未來的偶聯(lián)反應(yīng)中具有更廣闊的發(fā)展空間，概括其選擇性主要有以下幾點(diǎn)：包括化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性。文章以下便針對常用的幾種偶聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行簡要分析。

1 常用偶聯(lián)反應(yīng)簡介

1.1 Stille偶聯(lián)反應(yīng)

Stille偶聯(lián)反應(yīng)是有機(jī)錫化合物和不含β-氫的鹵代烴（或三氟甲磺酸酯）在鈀催化下發(fā)生的交叉偶聯(lián)反應(yīng)。其機(jī)理最初就是由Stille根據(jù)轉(zhuǎn)金屬復(fù)合物的決速步驟而提出的四步循環(huán)機(jī)理。

四（三苯基膦）合鈀（0）是最常用的鈀催化劑。對于Stille交叉偶聯(lián)反應(yīng)還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象就是添加物對這個(gè)反應(yīng)有很大的影響，尤其是銅的添加物，對反應(yīng)起著很大的作用，在反應(yīng)過程中Cu與反應(yīng)媒介生成了更加活潑的銅媒介，使得反應(yīng)更易發(fā)生。

1.2 Negishi偶聯(lián)反應(yīng)

Negishi交叉偶聯(lián)反應(yīng)有機(jī)鋅試劑與鹵代烴在鈀配合物的催化下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，生成新的碳-碳鍵。最早的報(bào)道見于1977年，這個(gè)反應(yīng)可以進(jìn)行Csp3-Csp2，也可以進(jìn)行Csp3-Csp3之間進(jìn)行的碳-碳鍵偶聯(lián)。

反應(yīng)整體上經(jīng)過了鹵代烴對金屬的氧化加成、金屬轉(zhuǎn)移與還原消除這三步。這個(gè)反應(yīng)的鹵代物的活性順序?yàn)閆n>Mg>>Li。對于鋅試劑在溫和條件下就能發(fā)生反應(yīng)。與格式試劑相比，鋅試劑在官能團(tuán)容忍度上更勝一籌。用含鈀催化劑時(shí)，通常產(chǎn)率較高，對官能團(tuán)的耐受性也比較好。

1.3 Suzuki反應(yīng)

Suzuki反應(yīng)是在鈀配合物催化下，有機(jī)硼化合物和有機(jī)鹵素化合物發(fā)生的偶聯(lián)反應(yīng)，一般需要堿作催化劑。該反應(yīng)用途相對較廣，相對比其他偶聯(lián)反應(yīng)，其官能團(tuán)耐受性以及底物適應(yīng)性較強(qiáng)，在聯(lián)苯衍生物、多烯烴等有機(jī)合成反應(yīng)中發(fā)揮了巨大優(yōu)勢，因此在有機(jī)合成材料生產(chǎn)中得到了認(rèn)可。并且隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，其催化劑也得到了發(fā)展，目前膦配體催化劑是目前催化火星相對較大且具有經(jīng)濟(jì)性的催化劑，實(shí)現(xiàn)氯代芳烴在偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用。另外技術(shù)人員逐步開發(fā)出無膦配體催化劑，從而使得偶聯(lián)反應(yīng)尤其是合成聚苯類功能材料過程中，聚合物結(jié)構(gòu)不會因?yàn)楦狈磻?yīng)而出現(xiàn)不規(guī)整現(xiàn)象。除此之外，負(fù)載于載體上的復(fù)合催化劑的制備與重復(fù)利用有效地降低了較昂貴的鈀的使用成本。

1.4 Heck偶聯(lián)反應(yīng)

Heck反應(yīng)近四十年來已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一種應(yīng)用日益廣泛的有機(jī)合成方法，是在堿性條件下鈀催化的芳基或乙烯基鹵代物和活性烯烴之間的偶聯(lián)反應(yīng)。

原料鹵代烴或三氟甲磺酸酯中的取代基可以是芳基、芐基或乙烯基，烯烴的雙鍵碳必須連有氫，且通常為缺電子烯烴。一般情況下，取代基越大，數(shù)目越多，反應(yīng)速度越小，收率越低。

Heck反應(yīng)的催化體系主要有以下幾種催化體系：鈀催化體系、 銠催化體系、釕催化體系、鎳催化體系。目前Heck反應(yīng)的應(yīng)用在有機(jī)全合成中有著極其廣泛的應(yīng)用。

1.5 Hiyama偶聯(lián)反應(yīng)

Hiyama偶聯(lián)反應(yīng)是鈀或鎳催化的芳基、烯基、烷基鹵化物或擬鹵（如三氟甲磺酸酯）與有機(jī)硅烷之間的交叉偶聯(lián)反應(yīng)。反應(yīng)催化循環(huán)經(jīng)過氧化加成、轉(zhuǎn)金屬、順反異構(gòu)化和還原消除幾步，其中關(guān)鍵是用氟離子把有機(jī)硅中低極化的Si-R鍵活化，以便進(jìn)行金屬交換。

和其他有機(jī)金屬試劑相比，有機(jī)硅試劑有著其獨(dú)特的性質(zhì)。有機(jī)硅試劑比鎂試劑和鋅試劑穩(wěn)定；有機(jī)錫化合物有著高毒性，而硅元素是一種對環(huán)境友好的元素，有機(jī)硅化合物最終氧化成無生物活性的硅膠，參與的反應(yīng)副產(chǎn)物少且產(chǎn)物易于處理。此反應(yīng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括高原子經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境影響小、有機(jī)硅試劑容易儲存、易于操作、低毒性、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率和選擇性高以及對其他官能團(tuán)的耐受性較好等。例如：氯化鎳、LiHMDS和去甲麻黃堿存在下，以氟化銫作氟離子源，仲鹵代烴與有機(jī)硅之間的偶聯(lián)：

這個(gè)反應(yīng)的一個(gè)主要的缺點(diǎn)就是需要大量氟化物的參與。不過近年來更多的成就在于游離氟的應(yīng)用。發(fā)展了各種溫和條件下的試劑在有機(jī)硅下的交叉偶聯(lián)但對硅保護(hù)基的不兼容性，有機(jī)硅的制備不易以及活化劑的昂貴，在一定程度上限制了此反應(yīng)的應(yīng)用。

1.6 Glaser偶聯(lián)反應(yīng)

Glaser于1869年首次以苯乙炔為原料，用銅鹽（CuCl）作催化劑合成了1，3-二炔，這類反應(yīng)被稱為Glaser偶聯(lián)反應(yīng)。

一價(jià)銅鹽為反應(yīng)所必需，常見的是氯化亞銅、溴化亞銅和乙酸亞銅。氨是經(jīng)典的所用堿，用于奪取炔的酸性C-H質(zhì)子。溶劑可以是水或乙醇。反應(yīng)經(jīng)雙核的、含橋連的炔配體的銅絡(luò)合物中間體。氧氣用于銅催化劑的重新氧化。

通過對Glaser偶聯(lián)反應(yīng)的研究，拓展了三類新的偶聯(lián)反應(yīng)。（1）Hay偶聯(lián)反應(yīng)，用TMEDA作堿，增加在有機(jī)溶劑中的溶解性，從而拓展溶劑種類。（2）Eglinton偶聯(lián)反應(yīng)：用銅（II）鹽而非銅（I）鹽，如乙酸銅。且銅鹽定量，非催化量；故不再需用氧氣重新氧化。堿多用吡啶或其他含氮有機(jī)堿。（3）Cadiot-Chodkiewicz偶聯(lián)反應(yīng)：可用于不同炔的偶聯(lián)，合成非對稱雙炔，不同于格拉澤偶聯(lián)只對相同炔類適用。

該反應(yīng)對底物敏感，炔上連有苯基及羥烷基可促進(jìn)偶聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行。例如：順-1，4-二乙炔基-1，4-二甲氧基-2，5-環(huán)己二烯與自身和N-溴代琥珀酰亞胺、硝酸銀作用得到的二溴化物，在甲醇中以及哌啶、鹽酸羥胺和溴化亞銅存在下進(jìn)行偶聯(lián)，得到多個(gè)對稱的大環(huán)多炔產(chǎn)物。

1.7 Kumada偶聯(lián)反應(yīng)

Kumada交叉偶聯(lián)反應(yīng)是烷基或芳基格氏試劑與芳鹵或乙烯基鹵在鎳或鈀催化下的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為苯乙烯衍生物。1972年，Kumada等報(bào)道了格氏試劑（苯基溴化鎂）與芳鹵或乙烯基鹵在鎳催化劑NiCl2（dppe）2作用之下交叉偶聯(lián)為苯乙烯的反應(yīng)。

這類反應(yīng)的缺點(diǎn)主要是格式試劑對水和空氣敏感，且極易與許多其他活潑功能基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)。

Kumada偶聯(lián)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)在于格式試劑的直接應(yīng)用。與Negishi Coupling反應(yīng)比較，其減少了從起始金屬轉(zhuǎn)變成Zn復(fù)合物的額外反應(yīng)步驟。對于Ni催化的Kumada偶聯(lián)反應(yīng)也有一些缺點(diǎn)及不足之處，例如：格式試劑對于水的不穩(wěn)定性，官能團(tuán)容忍性很低，而且對于vinyl mono-halides型的試劑有一定得區(qū)域選擇性，但是對于芳基試劑區(qū)域選擇性則很差。對于Pd催化的Kumada偶聯(lián)反應(yīng)區(qū)域選擇性就有極大的提高。

2 結(jié)束語

通過上述分析可以看出，在催化反應(yīng)條件上過渡金屬催化的碳碳、碳氮鍵偶聯(lián)反應(yīng)相對較為溫和，并且其能夠應(yīng)用在多種反應(yīng)中，且反應(yīng)產(chǎn)物容易獲取分離。另外其能夠有效兼容底物，具有較高的產(chǎn)率，因此在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域中得到了認(rèn)可，并逐步推廣開來。目前偶聯(lián)反應(yīng)向著環(huán)境友好方向發(fā)展，不僅優(yōu)化其反應(yīng)介質(zhì)以及反映條件，同時(shí)其催化劑的開發(fā)也向著高效、低毒、多選擇、可循環(huán)方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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