自動(dòng)串聯(lián)催化

宋智勇

摘 要：多米諾反應(yīng)是用簡(jiǎn)單的材料從單一的操作中合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子的高效合成方法，已引起高度重視。反應(yīng)催化劑也在多米諾反應(yīng)中得到了很好的研究。近日，提出了多米諾反應(yīng)的新概念——串聯(lián)催化，催化劑依次激活了兩種以上完全不同的反應(yīng)。自動(dòng)串聯(lián)催化被定義為一個(gè)過程，這個(gè)過程中，同一個(gè)反應(yīng)器中，一個(gè)催化劑促進(jìn)兩個(gè)以上完全不同的反應(yīng)。本文綜述了近幾年來自動(dòng)串聯(lián)催化技術(shù)的研究成果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)串聯(lián)催化；串聯(lián)催化；過渡金屬催化；酸催化

1.概述

隨著綠色有機(jī)合成化學(xué)的不斷發(fā)展，尋求理想的綠色合成方法，實(shí)現(xiàn)在溫和條件下快速、高選擇性的合成，是綠色有機(jī)化學(xué)發(fā)展中的重要目標(biāo)。在這樣的目標(biāo)下，高效、高選擇性、高原子經(jīng)濟(jì)性的多米諾反應(yīng)就尤為重要。

現(xiàn)代有機(jī)合成對(duì)化學(xué)家的要求不再只是拿到目標(biāo)分子，還要求化學(xué)家更加注重有機(jī)合成反應(yīng)的反應(yīng)效率和原子經(jīng)濟(jì)性。高效、高選擇性、與環(huán)境友好型的綠色化學(xué)策略，已成為現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

理想的有機(jī)合成應(yīng)該是從易得的原料開始，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的、快速的、高產(chǎn)率的無污染操作過程來制備所需的目標(biāo)分子。對(duì)于有機(jī)合成化學(xué)家們來說，現(xiàn)在最大的挑戰(zhàn)就是尋求最佳合成方法得到目標(biāo)產(chǎn)物。在眾多的合成策略中，串聯(lián)反應(yīng)以其固有的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為一個(gè)快速發(fā)展的合成方法。

目前，串聯(lián)反應(yīng)已成功地應(yīng)用于不對(duì)稱合成以及雜環(huán)化合物的合成中，特別是對(duì)于光學(xué)活性的天然產(chǎn)物和復(fù)雜分子，串聯(lián)反應(yīng)充分顯示了較一般方法的優(yōu)越性。2001年，已有關(guān)于串聯(lián)反應(yīng)在有機(jī)合成方面應(yīng)用的綜述報(bào)道，但是這些報(bào)道只是對(duì)串聯(lián)反應(yīng)的初步介紹，或者對(duì)某種特定的串聯(lián)反應(yīng)作了較為詳盡的討論。近五年來，隨著研究的不斷深入，又出現(xiàn)了許多新的串聯(lián)反應(yīng)，特別是在光學(xué)活性天然產(chǎn)物分子的合成中，本文綜述了近幾年來自動(dòng)串聯(lián)催化技術(shù)中過渡金屬催化反應(yīng)和酸催化反應(yīng)的研究成果。

2.自動(dòng)串聯(lián)催化

“自動(dòng)串聯(lián)催化”在反應(yīng)過程中，一種催化劑促進(jìn)兩次以上的化學(xué)轉(zhuǎn)化，反應(yīng)機(jī)理不同且沒有附加的引發(fā)劑。

催化劑X作用在底物A和B上，并促進(jìn)其反應(yīng)得到中間體C，相同的催化劑X進(jìn)一步與中間體C作用，激活連續(xù)反應(yīng)生成產(chǎn)品D。自動(dòng)串聯(lián)催化有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：操作的復(fù)雜性小，催化劑的利用率高，此外催化劑的相互作用對(duì)不同反應(yīng)的影響最小。另一方面，自動(dòng)串聯(lián)催化有時(shí)難以優(yōu)化反應(yīng)條件。

有一個(gè)廣泛的有機(jī)催化劑的介導(dǎo)，如過渡和有代表性的金屬催化劑，有機(jī)酸、堿催化劑，相轉(zhuǎn)移催化劑和生物催化劑。當(dāng)這些催化反應(yīng)是由一個(gè)單一的催化劑作用相結(jié)合的過程時(shí)，它可以被稱為自動(dòng)串聯(lián)催化。我們總結(jié)了一些最近的自動(dòng)串聯(lián)催化的研究成果。我們根據(jù)所使用的催化劑的作用把它分為四大類：1）過渡金屬催化反應(yīng)；2）酸催化反應(yīng)；3）過渡金屬與酸催化反應(yīng)；4）胺催化反應(yīng)；5）其他。并對(duì)其中的過渡金屬催化和酸催化反應(yīng)進(jìn)行綜述。

2.1自動(dòng)串聯(lián)催化反應(yīng)中的過渡金屬催化反應(yīng)

過渡金屬催化反應(yīng)的進(jìn)展已徹底改變了合成化學(xué)，有機(jī)合成中的過渡金屬應(yīng)用非常廣泛，包括加氫反應(yīng)，交叉偶聯(lián)反應(yīng)，烯烴（炔）復(fù)分解反應(yīng)。本節(jié)總結(jié)了涉及兩個(gè)或多個(gè)完全不同的過渡金屬催化的自動(dòng)串聯(lián)催化反應(yīng)。

第一個(gè)例子是有Grubbs課題組[1]報(bào)道的Grubbs催化劑，促進(jìn)了多米諾關(guān)環(huán)復(fù)分解反應(yīng)和加氫反應(yīng)。

在這個(gè)過程中，催化劑獨(dú)立催化二烯的關(guān)環(huán)復(fù)分解反應(yīng)，和環(huán)戊烯的加氫反應(yīng)得到環(huán)戊烷，無論是反應(yīng)時(shí)還是反應(yīng)過程中都需要隔離環(huán)戊烯，盡管環(huán)戊烯是一個(gè)穩(wěn)定且可分離的化合物。因此減少或浪費(fèi)的步驟可以最小化。一個(gè)成功的反應(yīng)需要考慮催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。二烯的關(guān)環(huán)復(fù)分解反應(yīng)比環(huán)戊烯的加氫反應(yīng)快得多，他們用這個(gè)方法合成了一鍋序列麝香酮。

Sato等[2]用銠催化劑催化線性多米諾氫酰化-環(huán)化加成序列構(gòu)建酮，他們應(yīng)用這種良好的反應(yīng)合成表藍(lán)桉醇。

2.2自動(dòng)串聯(lián)催化中的酸催化反應(yīng)

本節(jié)總結(jié)了自動(dòng)串聯(lián)催化中一種催化劑激活兩種以上的酸催化反應(yīng)。酸催化劑包括Lewis 和 Brnsted酸，是基本的催化劑，廣泛應(yīng)用于各種成鍵和鍵的斷裂、重排反應(yīng)。酸催化劑使雜原子的孤對(duì)電子相配合，如氧或氮原子，不飽和鍵的π電子，特別是碳-碳多重鍵[3]。通過與酸催化劑的相互作用，基板的電性增加，親核加成、取代或消除將加速。

當(dāng)一個(gè)羰基和炔基在同一分子中存在時(shí)，酸催化劑可以同時(shí)激活這兩個(gè)基本功能。Yamamoto等人[4]已報(bào)道在足量的催化劑Pd（OAc）2存在下，用甲醇處理炔醛，得到五或六元環(huán)烯醚。

Pd（OAc）2先激活羰基功能，加速親核加成把甲醇加入到半縮醛A中，在沒有催化劑的情況下，A的形成速率將非常緩慢，Pd（OAc）2進(jìn)一步與A的炔基部分反應(yīng)，在5-exo-dig和6-endo-dig環(huán)合模式下激活的分子內(nèi)親核加成得到烯基醚。自動(dòng)串聯(lián)催化涉及PdII的雙重作用，可用于抗腫瘤藥物的合成[5]。

3.小結(jié)

自動(dòng)串聯(lián)催化在有機(jī)合成中仍處于起步階段。分子的復(fù)雜性和多樣性在一個(gè)單一的反應(yīng)中獲得將是有限的，自動(dòng)串聯(lián)催化可能會(huì)打開一個(gè)新的領(lǐng)域，即使在一步也能得到更高層次的復(fù)合物。自動(dòng)串聯(lián)催化在有機(jī)合成中將更高效、更環(huán)保。反應(yīng)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和新型高效催化劑的發(fā)現(xiàn)將有助于自動(dòng)串聯(lián)催化發(fā)展。我們希望，自動(dòng)串聯(lián)催化的概念有利于發(fā)展復(fù)雜的合成策略。

參考文獻(xiàn)

[1] J. Louie，C. W. Bielawski，R. H. Grubbs，J. Am. Chem. Soc. 2001，123，11312-11313.

[2] N. T. Patil，Y. Yamamoto，Chem. Rev. 2008，108，3395-3442.

[3] N. Asao，T. Nogami，K. Takahashi，Y. Yamamoto，J. Am. Chem. Soc.2002，124，764-765.

[4] S. Mondal，T. Nogami，N. Asao，Y.Yamamoto，J.Org.Chem.2003，68，9496-9498.

[5] T. Jin，Y. Yamamoto，Org. Lett. 2008，10，3137-3139.