過渡金屬催化的碳?xì)浠罨磻?yīng)進(jìn)展.docx

鈀催化的碳?xì)浠罨磻?yīng)進(jìn)展摘要：碳-碳鍵構(gòu)筑是有機(jī)合成化學(xué)的重要研究內(nèi)容。過渡金屬催化的有機(jī)合成反應(yīng)是碳-碳鍵形成的重要方法，已經(jīng)得到了深入研究并成為廣泛被使用的構(gòu)筑碳-碳鍵的有利工具。例如，過渡金屬催化的Heck反應(yīng)、Suzuld-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)、Stille偶聯(lián)反應(yīng)和Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)等。然而，這些反應(yīng)都需要對底物進(jìn)行鹵化或金屬化等預(yù)活化步驟，因此過渡金屬催化的由C-H鍵直接構(gòu)筑C-C鍵的方法就成為高效構(gòu)筑C-C鍵的有效途徑，相關(guān)研究引起了人們的極大興趣，成為當(dāng)前有機(jī)合成的研究熱點(diǎn)。碳?xì)滏I的反應(yīng)活性和反應(yīng)選擇性是相關(guān)研究的關(guān)鍵所在。關(guān)鍵詞：C-H鍵活化 鈀催化 分子內(nèi) 分子間一、概述過渡金屬催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)是現(xiàn)代有機(jī)合成的重要工具。利用交叉偶聯(lián)反應(yīng)可以高效高選擇性地構(gòu)建碳-碳鍵、碳-雜鍵等化學(xué)鍵。然而，這些傳統(tǒng)偶聯(lián)反應(yīng)都是基于官能團(tuán)之間的轉(zhuǎn)化，參與反應(yīng)的底物( 如有機(jī)金屬試劑與芳基或烯基鹵代物、擬鹵代物等) 均需要經(jīng)過預(yù)先制備或者預(yù)先活化，因此整個過程既不原子經(jīng)濟(jì)也不綠色。碳-氫鍵是構(gòu)成有機(jī)化合物的最基本化學(xué)鍵之一。直接利用C-H鍵選擇性地官能團(tuán)化是有機(jī)化學(xué)家們長期追求的目標(biāo)。由于C-H鍵具有較高的鍵能、相對穩(wěn)定且極性很小等基本結(jié)構(gòu)特征，直接地官能團(tuán)化遇到的第一個問題就是反應(yīng)活性很低。另外，同一個有機(jī)化合物分子內(nèi)通常有很多種化學(xué)性質(zhì)不同的C-H鍵，如何實(shí)現(xiàn)其中的某一類C-H鍵的轉(zhuǎn)化而不影響分子中其它的C-H鍵和官能團(tuán)，這就涉及到C-H鍵活化過程中的選擇性問題。C-H鍵活化，就是在一定的條件下，對一種有機(jī)化合物中的某一C-H鍵反應(yīng)性增強(qiáng)或切斷實(shí)現(xiàn)定向化學(xué)轉(zhuǎn)化。碳?xì)浠罨磻?yīng)既可以發(fā)生在分子內(nèi)進(jìn)行，也可以發(fā)生在分子間。分子內(nèi)的碳?xì)浠罨磻?yīng)由于體系對反應(yīng)位置自由度的限制使得反應(yīng)具有區(qū)域選擇性(Scheme 1.1)。分子間碳?xì)浠罨磻?yīng)由于催化劑和C-H鍵反應(yīng)的時候具有更大的自由度使得該類型反應(yīng)有更大的挑戰(zhàn)性（Scheme 1.2）。Scheme 1.1Scheme 1.2不同的過渡金屬對于碳?xì)浠罨磻?yīng)有不同的催化效果，其中銠、釕、鈀是應(yīng)用最為廣泛，研究最為活躍的幾種。另外錳、鐵、鈷、銅、鎳等第一過渡周金屬也引起了越來越多的關(guān)注。下面將著重介紹鈀催化的碳?xì)浠罨磻?yīng)研究進(jìn)展。二、鈀催化碳?xì)浠罨磻?yīng)2.1分子內(nèi)碳?xì)浠罨磻?yīng) 分子內(nèi)碳?xì)浠罨粡V泛用于有機(jī)合成中，合成了大量復(fù)雜的稠環(huán)體系。其反應(yīng)機(jī)理也被廣泛研究報道。Ames在上世紀(jì)八十年代最早報道了分子內(nèi)的直接芳基化(Scheme 2.1.1)1a。在DMA中，以Pd(OAc)2做催化劑，Na2C03做堿，170 oC下，可以將多種取代的2-溴苯基苯醚轉(zhuǎn)化成取代的二苯并呋喃。供電子基以及吸電子基取代的底物都可以良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。并且，利用碘代苯基苯胺和碘代苯基苯基酮，可以高產(chǎn)率得到相應(yīng)的咔唑和芴酮1b。Scheme 2.1.12004年，F(xiàn)agnou課題組對分子內(nèi)芳烴的直接芳基化的范圍和局限進(jìn)行了廣泛的研究2a。他們的反應(yīng)條件提高了催化活性，使得之前報道的不反應(yīng)或者反應(yīng)很差的底物可以在非常低當(dāng)量催化劑下高產(chǎn)率的進(jìn)行反應(yīng)(Scheme 2.1.2)。利用01 molPd(OAc)2，配體l和K2C03，在DMA中，145 oC下，以96的產(chǎn)率得到二芳基目標(biāo)產(chǎn)物。除了目標(biāo)產(chǎn)物，也觀察到有少量的溴氫化副產(chǎn)物。作者認(rèn)為反應(yīng)活性的提高可能是由于大位阻、缺電子的配體易于從金屬鈀上解離，因而使得芳烴更容易絡(luò)合。Scheme 2.1.2前述催化體系對于芳基溴的直接芳基化非常有效，但是對于芳基氯的直接芳基化只得到非常低的產(chǎn)率或者不發(fā)生反應(yīng)。為了解決這個問題，2005Fagou2b發(fā)展了采用富電子的氮雜卡賓12配體的新反應(yīng)條件(Scheme 2.1.3)。利用1-3mol%Scheme 2.1.3催化劑3和K2C03，在DMA，130oC下，以優(yōu)秀的產(chǎn)率得到多種取代的五元、六元環(huán)。2006年，F(xiàn)agou發(fā)展了有效的廣泛的分子內(nèi)芳基化催化體系2c。該體系可以使芳基氯、溴、碘進(jìn)行芳基化，合成多種五元、六元碳環(huán)或雜環(huán)二芳環(huán)化合物：醚類、胺類、酰胺、烷基和烯基取代的底物反應(yīng)不受影響；兩邊芳基部分帶有多種供電子或缺電子取代基的底物也可以優(yōu)秀產(chǎn)率高區(qū)域選擇性的得到目標(biāo)產(chǎn)物；高立體要求的底物也可以順利的進(jìn)行直接芳基化(Scheme2.1.4)。Scheme2.1.42008年，Chang等報道N-(2-鹵芐基)吡咯高效率鈀催化環(huán)化反應(yīng)(Scheme2.1.5)，該反應(yīng)經(jīng)由串聯(lián)芐鹵活化和芳基C-H鍵活化3。4Scheme 2.1.52.2分子間碳?xì)浠罨磻?yīng)1998年，Miura揭示了2-苯基苯酚和萘酚的選擇性芳基化反應(yīng)(Scheme 2.2.1)。各種不同取代的鹵代芳烴在二價鈀催化下，于Cs2CO3的DMF溶液中加熱至100 oC,通過控制加入的鹵代芳烴Cs2CO3的量可以選擇性地得到單或雙芳基化的產(chǎn)物4。Scheme 2.2.1隨后，在2001年Miura報道了利用醇導(dǎo)向基團(tuán)的a,a-二取代芳基甲醇同鹵代芳烴的直接芳基化(Scheme 2.2.2)5a,b。Scheme 2.2.2在研究過程中，他們發(fā)現(xiàn)一個競爭反應(yīng)。該反應(yīng)中sp2-sp3 C-C鍵斷裂釋放出丙酮，然后進(jìn)行了芳基-芳基偶聯(lián)(Scheme 2.2.3)5c,d。Scheme 2.2.3Miura也研究了芳基酮的羰基導(dǎo)向的芳基化(Scheme 2.2.4)6,7。在Pd(PPh3)4和Cs2C03存在下于回流的鄰二甲苯中，芐基苯基酮同溴代芳烴的反應(yīng)，生成多種三芳基取代產(chǎn)物。Scheme 2.2.4最近，鈀催化的利用醛基作為導(dǎo)向基團(tuán)對芳烴進(jìn)行芳化的反應(yīng)也被報道(Scheme 2.2.5)。用大位阻富電子的氮雜卡賓做為配體，Pd(OAc)2催化下多種苯甲醛衍生物可以被富電子或缺電子的鹵代芳烴以良好至優(yōu)秀的產(chǎn)率進(jìn)行芳基化8。作者還發(fā)現(xiàn)氯代芳烴可以選擇性生成單芳基化產(chǎn)物，而溴代芳烴則生成雙芳基化產(chǎn)物。Scheme 2.2.5關(guān)于非官能團(tuán)化的芳烴的C-H鍵活化反應(yīng)的報道非常少，Dyker報道了甘菊環(huán)的芳基化反應(yīng)(Scheme 2.2.6)，并且揭示了甘菊環(huán)的偶極性質(zhì)增強(qiáng)了其反應(yīng)活性9。Scheme 2.2.6三、總結(jié)碳-氫鍵活化是有機(jī)合成中最具有挑戰(zhàn)性的課題之一，受到化學(xué)家們的廣泛關(guān)注。尋找環(huán)境友好的催化劑體系進(jìn)行碳-氫鍵活化從而構(gòu)建碳-碳鍵、碳-雜鍵具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。雖然，至今在該領(lǐng)域已取得很多突破性進(jìn)展，在下一階段，有機(jī)化學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)將是如何活化非活性的碳-氫鍵以及解決其化學(xué)轉(zhuǎn)化的選擇性問題。1(a) Ames D E，Opalko A Synthesis of dibenzofurans by palladiumcatalyzed intramolecular dehydrobmmination of 2-bromophenyl phenyl ethers Synthesis 1983，234235(b) Ames D E，Opalko APalladium-catalyzed cyclization of2-substituted halogenoarenes by dehydrohalogenationTetrahedron 1984，40，191919252(a) Campeau L C，Pafisien M Fagnou K Biaryl synthesis via direct arylation：establishment of an efficient catalyst for intramolecular processes.J. AmChemSoc2004，126,91 86-9 1 87(b) Campeau L C，Thansandote P，F(xiàn)agnou KHigh-yielding intramolecular direct arylation reactions、ith aryl chloridesOrgLett2005，7，1857-1860(c) Campeau L C，Parisien M Jean A，F(xiàn)agnou KCatalytic Direct Arylation with Aryl Chlorides，Bromides，and Iodides：Intramolecular Studies Leading to New Intermolecular ReactionsJ. AmChemSoc2006,128,581-5903Hwang S J，Cho S HChang SSynthesis of Condensed Pyrroloindoles via PdCatalyzed Intramolecular C-H Bond Functionalization of Pyrroles J. AmChemSoc2008，130，16158-161594. (a) Satoh T，Kawamura Y ，Miura M，Nomura MPalladium-Catalyzed Regioselective Mono- and Diarylation Reactions of 2-Phenylphenols and Naphthols with Aryl HalidesAngewChemIntEdEngl1997，36,1740-1 742(b) Satoh T，Inoh J I，Kawamum Y, Miura M，Nomura MRegioselective Arylation Reactions of Biphenyl-2-ols，Naphthols，and Benzylic Compounds with Aryl Halides under Palladium CatalysisBullChemSocJpn1 998，71，223922465. (a) Terao Y, Wakui H, Satoh T, Miura M，Nomura MPalladium-Catalyzed Arylative C-C Bond Cleavage of a,a -Disubstituted ArylmethanolsJ. AmChemSoc2001，123，1 0407-1 0408(b) Terao Y, Wakui H，Nomoto M，Satoh T, Miura M，Nomura MPalladium-Catalyzed Arylation of aa-Disubstituted Arylmethanols via Cleavage of a CC or a C-H Bond to Give BiarylsJ. OrgChem2003，68，52365243(c) Terao Y , Nomoto M，Satoh T, Miura M， Nomura MPalladium-Catalyzed Dehydroarylation of Triarylmethanols and Their Coupling with Unsaturated Compounds Accompanied by C-C Bond CleavageJ. OrgChem2004，69,69426944(d) Wakui H，Kawasaki S，Satoh T，Miura M，Nomura MPalladium-Catalyzed Reaction of 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone with Aryl Bromides：A Unique Multiple Arylation via Successive C-C and C-H Bond CleavagesJ. AmChemSoc2004，126,8658-8659.6(a)Satoh T，Kametani Y ,Terao Y ,Miura M，Nomura MPalladium Catalyzed Multiple Arylation of Phenyl Ketones with Aryl BromidesTetrahedron Lett1999，40,5345-5348(b) Satoh T，Miura M，Nomura MMultiple Arylation of Carbonyl Compounds via Palladium CatalysisJ. OrganometChem2002，653，161-1667Churruca F，SanMartin R, Carril M，Tellim I，Dommguez ETowards a Facile Synthesis of Triarylethanones：Palladium-Catalyzed Arylation of Ketone Enolates under Homogeneous and Heterogeneous ConditionsTetrahedron 2004，60，2393-24088Gurbuz N，Ozdemir I，Ciietinkaya BSelective Palladium-Catalyzed Arylatio