獨(dú)立串聯(lián)催化與輔助串聯(lián)催化簡(jiǎn)述

尹兵

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。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)。串聯(lián)催化分為三類：獨(dú)立、輔助和自動(dòng)串聯(lián)催化。本文簡(jiǎn)單介紹了近幾年來關(guān)于獨(dú)立串聯(lián)與輔助串聯(lián)催化技術(shù)的部分研究成果。

關(guān)鍵詞：多米諾反應(yīng)；獨(dú)立串聯(lián)催化；輔助串聯(lián)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)性的合成反應(yīng)就尤為重要[1]。

一種有效提高合成效率的方法是將多個(gè)反應(yīng)條件相似的反應(yīng)結(jié)合起來一次性完成，將上一個(gè)反應(yīng)得到的新官能團(tuán)用于下一個(gè)反應(yīng)，或是將上一個(gè)反應(yīng)生成的活性中間體在合適的條件下直接進(jìn)行下一步反應(yīng)而跨越了取出中間產(chǎn)物這一環(huán)節(jié)。這樣，在一次反應(yīng)中形成多個(gè)化學(xué)鍵（還可能形成多個(gè)環(huán)），從而有可能將較簡(jiǎn)單的原料經(jīng)過很短的步驟轉(zhuǎn)化成很復(fù)雜的分子，這就是多米諾反應(yīng)（domino reaction）。很明顯，與傳統(tǒng)的分步反應(yīng)相比，巧妙的多米諾反應(yīng)不僅能提高反應(yīng)效率，還能大量減少浪費(fèi)，如溶劑、試劑、能量等的損耗將大大減少[2]。

近五年來，隨著研究的不斷深入，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，本文簡(jiǎn)單列舉了近幾年來自動(dòng)串聯(lián)催化技術(shù)的研究成果[3]。

2 串聯(lián)催化

“串聯(lián)催化”一詞被Fogg和Santos定義為耦合催化，底物的順序轉(zhuǎn)型發(fā)生在兩個(gè)或更多不同的機(jī)械過程中。由于串聯(lián)催化涉及多個(gè)催化劑控制的化學(xué)反應(yīng)，與催化的多米諾反應(yīng)相比，單一的合成操作可能發(fā)生高度多樣化的轉(zhuǎn)變。

串聯(lián)反應(yīng)對(duì)于解決有機(jī)合成中的結(jié)構(gòu)和效率問題具有強(qiáng)有力的優(yōu)越性，突出表現(xiàn)在：（1）串聯(lián)反應(yīng)的中間體不需分離，直接用于原位反應(yīng)，從而簡(jiǎn)化了操作步驟。對(duì)于敏感的、不穩(wěn)定的中間體，這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出；（2）串聯(lián)反應(yīng)減少了溶劑、洗脫劑的用量和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，有利于環(huán)保；（3）串聯(lián)反應(yīng)經(jīng)?？梢缘玫姜?dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，大多具有很高的選擇性?？傊?，串聯(lián)反應(yīng)是一個(gè)高效率的反應(yīng)，可將較簡(jiǎn)單的原料經(jīng)過很短的步驟轉(zhuǎn)化成很復(fù)雜的分子。因此，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)及天然產(chǎn)物的合成中，串聯(lián)反應(yīng)常?？梢云鸬椒浅ｊP(guān)鍵的作用。

Fogg和Santos[4]提出了串聯(lián)催化分為三類，獨(dú)立、輔助和自動(dòng)串聯(lián)催化，它們的分類是基于催化劑的效率。本文主要對(duì)獨(dú)立串聯(lián)與輔助串聯(lián)催化反應(yīng)進(jìn)行介紹。

2.1獨(dú)立串聯(lián)催化

“獨(dú)立串聯(lián)催化”[5]由兩個(gè)或更多的互不干的催化劑或催化胺，它們各自催化一個(gè)獨(dú)立的化學(xué)轉(zhuǎn)換。

催化劑X和Y是可以共存的，它們單獨(dú)激活兩個(gè)不同的反應(yīng)，催化劑X催化底物A和B反應(yīng)得到中間體C，而催化劑Y催化中間體C和試劑R反應(yīng)得到產(chǎn)品D。催化劑必須在反應(yīng)開始時(shí)加入。在獨(dú)立串聯(lián)催化作用下，第一個(gè)催化反應(yīng)生成中間體C，隨后的催化循環(huán)進(jìn)行。獨(dú)立串聯(lián)催化操作效率高，但也有一定的缺陷，如催化劑的使用效率低，催化劑的回收難度高，此外還存在一個(gè)催化劑和其他催化循環(huán)的負(fù)相互作用的可能性。這是一個(gè)獨(dú)立串聯(lián)催化的例子[6]。第一階段釕催化劑激活了丙炔醇與丙酮的取代反應(yīng)得到炔酮A，隨后PtCl2催化A炔基化，其次二酮B分子內(nèi)環(huán)化得到呋喃衍生物。這些反應(yīng)是在兩種催化劑同時(shí)存在下先后發(fā)生的，反應(yīng)中間體A和B是獨(dú)立的。

2.2輔助串聯(lián)催化

“輔助串聯(lián)催化”僅使用一種催化劑，第一個(gè)催化循環(huán)完成后加入化學(xué)觸發(fā)劑改變催化劑的種類并開始第二個(gè)催化循環(huán)。

在第一個(gè)催化循環(huán)階段，催化劑X激活底物A和B生產(chǎn)中間體C，反應(yīng)完成后，催化劑X在引發(fā)劑T的作用下變?yōu)榇呋瘎1，然后新生成的催化劑X1促進(jìn)另一反應(yīng)得到產(chǎn)品D。因此，催化劑X的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)被引發(fā)劑T改變，以兩種不同的形式存在。在原則上，在這種催化作用下，兩個(gè)催化循環(huán)不能同時(shí)進(jìn)行，因?yàn)檫@兩個(gè)不同的催化物質(zhì)不能共存；因此負(fù)相互作用在這個(gè)催化劑和其他催化劑或反應(yīng)之間是最小的，然而操作的簡(jiǎn)單性低于其他反應(yīng)，因?yàn)橥瓿杀O(jiān)測(cè)第一次轉(zhuǎn)型和化學(xué)引發(fā)劑的加入是必要的。

3 小結(jié)

近年來，串聯(lián)催化反應(yīng)的研究取得了很大的進(jìn)展，越來越多的關(guān)于獨(dú)立串聯(lián)與輔助串聯(lián)催化反應(yīng)的研究被報(bào)道，更加高效、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)。對(duì)于有機(jī)合成化學(xué)家們來說，目前最大的挑戰(zhàn)可能就是尋求更加優(yōu)越的合成方法與反應(yīng)以得到目標(biāo)產(chǎn)物。

參考文獻(xiàn)

[1]錢榮，硫酸催化的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)[J].試題與研究：教學(xué)論壇，2011，31（4）：55-60.

[2]羅佗平，有機(jī)化學(xué)中的多米諾反應(yīng)[J].有機(jī)化學(xué)，2004.8：19（4）

[3]D. E. Fogg，E. N. dos Santos，Coord. Chem. Rev. 2004，248，2365-2379.

[4]J.-C. Wasilke，S. J. Obrey，R. T. Baler，G. C. Bazan，Chem. Rev. 2005，105，1001-1020.

[5]Y. Nishibayashi，M. Yoshikawa，Y. Inada，M. D. Milton，M. Hidai，S.Uemura，Angew. Chem. 2003，115，2785-2788；Angew. Chem. Int.Ed. 2003，42，2681-2684.