鈀催化下偶合反應研究進展

鈀催化下偶合反應研究進展摘要:鈀催化偶合反應是一類用于碳碳鍵形成,碳氮健形成和碳氧健形成的重要化學反應,是由兩個有機化學單位進行某種化學反應而得到一個有機分子的過程,在有機合成中應用十分廣泛.本文綜述了鈀催化下碳碳鍵形成等的偶聯(lián)反應研究進展.關鍵詞:鈀催化偶聯(lián)反應研究進展ResearchprogressofcouplingreactionunderthepalladiumcatalyzedMingzhuLeAbstract:Palladiumcatalyzedcouplingreactionisakindimportantchemicalreactionsofusedforcarbon-carbonbondstoform,carbon-nitrogenbondsandcarbon-oxygenbondstofrom,thatchemicalreactionbytwoorganicchemistryunitisaprocessofobtainorganicmolecules,theyarewidelyusedinorganicsynthesis.Thispaperisreviewedtheresearchprogresscarbon-carbonbondstoformandsoonofcouplingreactionunderthepalladiumcatalyzed.Keywords:palladiumcatalyzedcouplingreactionresearchprogress1前言為了制造特殊的有機材料,需要通過化學反應將碳、氮、氧等原子集合在一起.然而碳原子在有機分子中與相鄰的原子之間的化學鍵是非常穩(wěn)定的,不容易與其他的分子發(fā)生化學反應.一些方法雖然能令碳原子活躍,但是,過于活躍的碳原子又會產(chǎn)生大量副產(chǎn)物.用鈀作為催化劑則可以很好的解決這個問題.鈀原子作為一種傳遞介質(zhì),把不同的碳原子吸引到附近,使碳原子間的距離減小,容易結(jié)合,這一反應稱為偶聯(lián)反應,這樣的偶聯(lián)反應不需要把碳原子激活到很活躍的程度,因此副產(chǎn)物比較少,更加精確而高效.鈀催化偶聯(lián)反應被應用于許多物質(zhì)的合成研究和工業(yè)化生產(chǎn),目前這個成果已經(jīng)在醫(yī)藥、材料等相關領域有了廣泛的應用.這一技術(shù)讓化學家們能夠精確有效地制出他們需要的復雜化合物.有機化學反應可認為是定向地斷裂和生成C-X鍵的過程,因此在反應中通常需要定位基團來高效地構(gòu)筑C-X鍵,但在在些過程中也有這樣一個問題,那就是定位基團的引入使得反應原子經(jīng)濟性不高,而如果不引入定位基團,而是直接選擇性地斷裂C-H鍵,進一步地發(fā)生其它反應,這樣就能高效地構(gòu)筑化合物，提高反應效率和原子經(jīng)濟性.本文綜述了鈀催化偶聯(lián)反應下形成碳碳鍵,碳氮健和碳氧健研究進展,簡約論述鈀催化的發(fā)展.主要論述了鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應、鈀催化Heck偶聯(lián)反應和Ullmann偶合反應等反應和成C-C健、C-N健和C-O健的研究進展.2三個重要發(fā)展階段2.1發(fā)現(xiàn)鈀催化效應大約100年前,法國的化學家維克多·格林尼亞發(fā)現(xiàn),將一個碳原子同一個鎂原子偶聯(lián)在一起,就會將鎂原子額外的電子推向碳原子,從而使得它能夠更容易與另外一個碳原子連接在一起,不過,科學家們卻發(fā)現(xiàn),這種方法在合成簡單的分子時起到了很好的效果,但是相對于對更為復雜的分子在進行設計合成時,卻在試管里檢測到了很多并不需要的產(chǎn)品[1].2.2赫克反應早在上世紀60年代,赫克就為鈀催化偶聯(lián)反應奠定了基礎,1968年,他報告了一種新的叫做赫克反應的化學反應,該反應中使用鈀作為主要的催化劑來使碳原子連在一起.2.3進一步發(fā)展1977年,根岸英一對赫克反應成果進行精練,他用一種有機氯化物作催化劑;兩年后，日本化學家鈴木章(AkiraSuzuki

)發(fā)現(xiàn)使用有機硼化合物作催化劑的效果會更好.3形成C-C健研究進展3.1鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-C健金屬Pd催化的Suzuki-Miyaura反應是碳-碳偶聯(lián)反應中重要的反應[2].鹵代芳烴Ar-X與Pd首先進行氧化加成反應,生成鹵代中間體Ar-Pd-X,然后與堿反應生成有機鈀氫氧化物的中間體Ar-Pd-OH,其含有含強極性Pd-O鍵,具有較強的親電性,同時芳基硼酸同堿作用生成的另一中間體Ar’C-B（OH）3,有較強的富電性,利于陰離子向Ar-Pd-OH中心轉(zhuǎn)移，與Ar-Pd-OH作用生成了B（OH）4.最后,B（OH）4經(jīng)過還原消除,得到了目標產(chǎn)物Ar-Ar’和催化劑Pd.一般情況下,結(jié)構(gòu)相同的鹵代烴,若芳環(huán)上的負電性越強，其空間位阻就越大,反應速度就越慢.3.1.1有配體鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-C健由金屬Pd有未充滿的4d軌道,能與多種組分生成配合物,通過改變配體和反應物的組成,可使許多不容易發(fā)生的反應順利地進行,較高的選擇性和反應活性.張穎之等[3]以三種手性膦作為配合制成的新配合物,催化的萘醇得到溴萘醇,再催化得到α-溴-β芐氧基萘與其衍生物得到的格林試劑偶聯(lián)反應合成了β,β?-二芐氧基-α,α?-聯(lián)萘.含氮配體催化劑的反應,因膦配體對空氣和水敏感,且有較大毒性，反應需要在惰性氣體中才能有效進行,而且為了保持催化劑穩(wěn)定需要不斷補充含氮金屬絡合物體配或膦配體.近年來探索出的較為成功的一類仿膦新配體,是崔元臣等[4]用聚氯乙烯與二乙烯三胺反應，再與PdCl2反應生成PVC-DETA-Pd配合物,在沒有惰性氣體作保護的環(huán)境中該配合物,在90℃時,以DMF水溶液為溶劑,以NaHCO3作堿,能定量催化活性較高的碘代苯,對未活化的溴代苯也能定量催化,催化劑回收利用8次后,收率仍可達94%.N,P配位的鈀催化Suzuki反應效率較高,近幾年,各種各樣同時含氮、磷的Pd催化劑不斷被合成生產(chǎn)出來,廣泛應用于Suzuki偶聯(lián)反應中,龔軍芳等[5]將三苯基膦同環(huán)鈀化二茂鐵亞胺反應,合成的三種新的環(huán)鈀化二茂鐵亞胺-三苯基膦絡合物,可以能有效催化芳基溴與苯基硼酸的Suzuki反應.于宏偉等[6]用二茂鐵為原料,首先制得乙酸[2-（二苯膦基）二茂鐵基]乙酯,再與雙（2-羥乙基）醚反應,生成2-（二苯膦基二茂鐵基）乙基-5-羥基-3-氧雜戊醚（醚基化膦）,將它用于Suzuki反應中,發(fā)現(xiàn)其對與帶有酮官能團的底物有很好的容忍度.以溴為底物的反應中,苯硼酸與4-甲基溴苯的反應收率可達93%.3.1.2無配體鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-C健無外加配體、水相催化體系的開發(fā)應用,通過系統(tǒng)研究,發(fā)展了兩個簡單且高效的無外加配體的水相Suzuki反應體系,并將其應用于4一芳基三苯胺衍生物的合成[7].2013年6月大連理工大學研究生張義霞[8]在一個純水相中鈕催化無外加配體和無其它任何添加劑的體系中發(fā)展了Suzuki反應,Pd(0Ac)2/(i-Pr)2NH/H20.體系以0.25mol的Pd(0Ac)2為催化劑,在100°C時,以2equiv(/-Pr)2NH為堿,0.5mmol的溴、氯代芳烴,0.75mmol的芳基硼酸,1.0ml的水,對無位阻的反應底物,產(chǎn)物收率達90%以上;當有位阻效應時,分離收率能達到80%以上.該底物適用范圍較廣,對含有疏水基團或親水基團的溴代芳烴都有較好的催化效果.無配體鈀催化的鈴木反應主要是合成芳香胺類化合物.3.1.3負載體鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-C健化負載型鈀催化劑具有分離簡便,可重復使用等優(yōu)點[9],關于負載型鈀催化劑也有文獻報道[10].比如二氧化硅材料負載鈀催化劑[11].2013年齊齊哈爾大學的研究生王旭[12]經(jīng)浸漬攪拌法,在表面具有強吸電子基的氧化鎂表面負載氯化鈀中的鈀,制備出氧化鎂負載鈀催化劑.2009年河南大學研究生吳玉峰[13]等以聚氯乙烯為基本原料,胺化反應合成無磷聚氯乙烯-二乙烯三胺和聚氯乙烯一三乙烯四胺配體.研究聚氯乙烯一二乙烯三胺和聚氯乙烯一三乙烯四胺負載把配合物對碘代苯與苯硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應的催化性能,利用微波技術(shù),對聚氯乙烯一三乙烯四胺負載把配合物催化的碘代苯與四苯硼鈉的Suzuki偶聯(lián)反應條件進行優(yōu)化,得到了較好的結(jié)果.杜謹宏等人[14]合成了SBA-15負載的咪唑卡賓配體催化劑,催化劑中鈀含量為1.09%,催化劑的表征結(jié)證明鈀是以化合鍵的形式負載在催化劑表面上,負載后的催化劑仍然表現(xiàn)出SBA-15原有的介孔性質(zhì).實驗中考察了該鈀催化體系對偶氮染料廢水脫色反應的催化效果,在催化作用下的H供體篩選表明,催化劑能有效的對甲酸作為H供體的脫色反應進行催化.根據(jù)H供體的篩選實驗結(jié)果,并綜合考慮各種H供體環(huán)境影響認為最佳H供體脫色反應的試劑是甲酸.催化劑的重利用實驗表明催化劑可以重復利用3次以上.3.2鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-C健Heck反應（也稱為Mizoroki-Heck反應）是指在強堿的存在下,鈀催化不飽和鹵代烴與烯烴反應形成新的碳-碳鍵取代烯烴的偶聯(lián)反應,經(jīng)過近半個世紀的研究發(fā)展,Heck反應已經(jīng)成為比較成熟的有機合成方法廣泛應用于復雜分子的合成中[15].2011年上海交通大學研究生彭智勇[15]在氮氣保護下,向氮氣置換過的25毫升Schlenk反應管中加入醋酸鈀置換體系氮氣置換后,用注射器加入丙烯酸甲酯（172.2mg,2mmol)，丙酮3mL,三氟乙酸（34.2mg,0.3mmol),室溫攪拌5min后，油浴70°C下回流反應20小時.將溶劑真空濃縮,直接柱層析得到產(chǎn)品,分離得到了94%的收率,重復性非常好,能順利反應.3.2.1負載體鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-C健尚筱潔等人[16]們課題組圍繞富電子烯烴參與的氧化Heck反應展開了研究.通過加入一個簡單的配體,二甲基亞砜(DMSO),即能順利實現(xiàn)一系列芳烴、雜環(huán)芳烴以及缺電子多氟芳烴與富電子如烯丙酯或烯丙醚的氧化Fujiwara-Moritani偶聯(lián),我們考察了該體系中富電子烯烴與缺電子烯烴的分子間及分子內(nèi)競爭反應.結(jié)果表明,在該反應條件下,苯乙烯與烯丙酯或丙烯酸酯反應的速率差別不大.[17]子間的Heck反應Heck反應能夠廣泛應用于SPOS是由于起始原料烯烴或者鹵代芳烴易得.SPOS條件下的Heck-SPOS條件下的Heck反應是將鹵代芳烴連接在聚合物載體上和可溶性的烯反應或者是將烯烴固定在載體和可溶性的鹵代芳烴反應.對同類型的聚合物載體和同類型的催化體系,固載碘代芳烴比固載烯烴更有效分子內(nèi)的Heck反應.載體上分子內(nèi)的Heck反應主要優(yōu)點是起始原料的假稀釋效應能提高產(chǎn)率.3.2.2有配體鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-C健2004年鄭州大學研究生王嵐[18]用幾種不同方法制得了殼聚糖鈀配合物催化劑,通過比較,它們對Heck應的催化性能相近.其中制備方法最簡便的是在室溫下通過與氯化鈀乙醇溶液作用制得殼聚糖負載氯化鈀黃色粉末,進一步在乙醇溶液中回流還原,制得殼聚鈀配合物催化劑.還研究了殼聚糖鈀配合物催化劑對不同反應底物的偶聯(lián)反應,利用熔點測定、紅外光譜、核磁共振氫譜對產(chǎn)物進行了分析測試,得到了較為滿意的結(jié)果.李海勝[19]合成了一系列的四烷基胍、五烷基胍、六烷基胍鹵鹽及對應的離子液體.并首次將四烷基胍、五烷基胍用于鈀催化的Heck反應和Suzuki反應,證明了胍配位的鈀催化劑是一類高效、耐氧化、對空氣和水穩(wěn)定的催化劑,為無膦催化體系的研究開辟了新的途徑.3.3其他鈀催化偶聯(lián)聯(lián)反應合成C-C健反應梁云等人[20]研究了在超臨界二氧化碳和常規(guī)有機溶劑中鈀催化末端炔烴的二聚反應及在含氮配體的作用下鈀催化Stille交叉偶聯(lián)反應..末端炔烴在氯化鈀/Me3NO催化體系存在下,首次實現(xiàn)了無嶙配體和無胺的條件下自偶聯(lián)生成對稱的共扼二炔.在氯化鈀和碘化亞銅作催化劑,三甲基氮氧化物做再氧化劑,醋酸鈉做堿,乙睛做溶劑的條件下,各種末端炔烴在沒有磷配體的參與都能高效地發(fā)生自偶聯(lián)反應,且得到較高的產(chǎn)率.趙可清等人[21]采用改進的Pd催化端炔自身偶聯(lián)生成二炔苯并菲盤狀液晶二聚體鈀催化的Glaser偶聯(lián)反應已成功應用于新型液晶化合物的合成.合成的目標化合物體積較大,分子量在2000左右.Ullmann偶合反應是有機合成中構(gòu)建碳—碳鍵最重要的方法之一,常用的零價鈀催化劑催化芳烴發(fā)生Ullmann偶合反應為Pd/C,但是這一偶合過程需要提供化學計算量的零價鈀,[22].利用鈀催化合成C-C健的反應還有Yamamoto反應、Wessling反應、Glich反應、Honor反應、Wittig反應、Hiyama反應、Sonogashira反應、Kumada反應、Negishi反應等[23].4形成C-N健研究進展鈀催化鹵代芳烴胺基化反應是形成CAr—N的重要方法[24].由于鈀催化交叉偶聯(lián)反應具有選擇性好、產(chǎn)率高、合成步驟短等優(yōu)點,在有機合成中的應用不斷擴展[25].4.1鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-N健4.1.1有配體鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-N健人們對于金屬配合物催化重氮化合物,目前人們一般接受Yates于1952年提出的親電性金屬卡賓模型的催化循環(huán)機理配合物的中心金屬具有空的配位軌道,它作為親電試劑進攻重氮化合物,與重氮化合物中帶負電性的碳作用,接著不可逆地失去氮氣,生成金屬卡賓中間體[26].4.1.2無配位鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-N健1996,Genet課題組最早研究了Pd(OAc)2催化四氟硼酸芳基重氮鹽和芳基硼酸的Suzuki偶聯(lián)反應.2012年,宋少娟等人[27]的課題組采用一種新型納米鈀催化劑來催化芳基重氮鹽和芳基硼酸的偶聯(lián)反應,鈀催化劑的用量是0.3%,不需要加堿和任何配體,甲醇作溶劑室溫下反應得到較高的收率.2010年楊偉波等人[28]成功地將Pd(0Ac)2/Et0H/DMA體系應用于氯代芳烴的Suzuki反應.這是首例通過簡單的有機溶劑組合來實現(xiàn)把催化無外加配體的氯代芳烴Suzuki反應.并成功地將Pd(0Ac)2/i一PrOH(50%)體系推廣到無需外加配體的澳代芳烴Suzuki反應,實現(xiàn)了室溫及空氣條件下聯(lián)苯類化合物的簡便、高效合成.2012年宋曉曉等人[29]發(fā)展了一個在空氣中高效活化溴代苯胺與芳基硼酸Suzuki偶聯(lián)反應的Pd(OAc)2-DMF(N-N二甲基甲酰胺)/H20體系.4.1.3負載體鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應合成C-N健碳材料由于來源廣泛，化學穩(wěn)定性很高，不溶于有機溶劑等顯著的優(yōu)點，是理想的Suzuki偶聯(lián)反應,催化劑的載體OcJ4,催化劑還可以不結(jié)合配體使用,因而可以在水相中、空氣中發(fā)生反應.在特定的條件下,可以高效地催化氯代芳烴發(fā)生Suzuki偶聯(lián)反應[30].4.2鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-N健4.2.1負載體鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-N健2003年,Roglans課題組利用二茂鐵骨架負載鈀催化劑催化重氮鹽的Heck偶聯(lián)反應收率可高達100%值得一提的是,此反應中的催化劑可以回收,只是在回收之后循環(huán)利用的過程中需要加大催化劑用量和延長反應時間,回收率最高可達100%[27].4.2.2無配體鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-N健2012年張斌林等人[31]發(fā)現(xiàn),在空氣和弱堿性條件下,無配體鈀催化對硝基溴苯與二苯胺順利發(fā)生C-N偶聯(lián)反應生成4-硝基三苯胺,反應條件溫和,操作簡便,他們對鈀催化的二苯胺取代二苯胺以及具有和二苯胺結(jié)構(gòu)類似的幾種胺類和鹵代芳烴的C-N偶聯(lián)進行比較詳細的研究,此反應體系條件溫和,可在空氣中進行,不需加入配體,對于含吸電子基團的溴代芳烴有較高的反應產(chǎn)率,可應用于合成三苯胺及其衍生物.4.2.3有配體鈀催化Heck偶聯(lián)反應合成C-N健萬青霞[32]設計合成了三種配體功能化離子液體—嶙配體功能化離子液體([BDPPMIM]pF6)、氮一麟雙齒配體功能化離子液體([EPDDM硯]pF6)、以及葉琳功能化離子液體([H2TMpyP][I]4,[H2TBCMMimP][4],并將其分別與相應的普通離子液體溶劑配合使用,應用于把催化的Heck偶聯(lián)反應中.由于離子液體溶劑和配體功能化離子液體對把催化劑的良好溶解作用和配位作用,僅保證了Heck偶聯(lián)反應中把催化劑的活性、穩(wěn)定性和良好的底物普適性,還使得相應的配體、離子液體溶劑和把催化劑被嚴格鎖定在離子液體相,并得以循環(huán)使用,避免了有毒配體和把催化劑的流失以及對有機產(chǎn)品的污染,實現(xiàn)了綠色Heck偶聯(lián)反應的目標.4.3其他鈀催化偶聯(lián)聯(lián)反應合成C-N健反應CAr—N鍵普遍存在于生物活性物及藥物中,芳胺類化合物廣泛用作藥物、染料、殺蟲劑,含有CAr—N化合物的合成引起了研究者的興趣.經(jīng)典的合成方法有硝化還原法、Ullmann合成法以及SNAr合成法[33].鈀催化形成C-N健的反應還有Petasis反應、Buchwald-Hartwig偶聯(lián)反應.5形成C-O健進展5.1鈀催化Heck偶合反應形成C-O健丙二烯衍生物參與的羰基化反應能夠高效地合成一系列含有雜環(huán)的芳酮類化合物.鈀催化Heck羰基化反應的親核試劑已經(jīng)從水、醇擴展到各種一級、二級胺和許多氨基酸.反應機理與醇作為親核試劑相似,都經(jīng)歷了芳基鹵化物對Pd的氧化加成,CO分子對芳基鈀中間體Pd-C鍵的插入,催化劑的再生等過程[34].鈀催化的不對稱芳基化的反應,無論在學術(shù)上還是工業(yè)應用上不對稱芳基轉(zhuǎn)移反應都是非常重要的,Mizoroki第一個報道了用芳基鹵化物和磺酸鹽作為底物實現(xiàn)了鈀催化的芳基轉(zhuǎn)移反應之后Heck和Nolley將這個反應變成了一個成熟的反應,廣泛應以于有機合成當中[35].6展望近年來,鈀催化反應得到了蓬勃的發(fā)展,尤其是離子液體,微波和微流反應技術(shù)的引入,已經(jīng)使反應底物從活性較好的芳基溴芳基碘擴展到了反應活性較差的芳基氯.反應的條件也變得更加簡單和溫和.金屬鈀為貴金屬.這就要求我們?nèi)で蟾鼮榻?jīng)濟和活性更高的鈀催化體系隨著金屬有機化學研究的不斷深入.相信鈀催化芳基鹵化物羰基化反應將會迎來更為廣闊的發(fā)展空間[34]鈀催化偶聯(lián)反應具有選擇性好、產(chǎn)率高、合成步驟短等優(yōu)點,在有機合成中的應用不斷擴展.鈀催化烯烴不對稱羰基化化反應的研究也已經(jīng)取得了很大的進展,特別是手性非甾體抗消物布洛芬等的高產(chǎn)率高對映選擇性合成已實現(xiàn)工業(yè)化.近十幾年來,鈀催化不對稱羰基化反應的研究受到了高度重視,在各方面都取得了豐碩的成果.但是如何進一步提高其區(qū)域選擇性、對映選擇性以及工業(yè)化等[36]參考文獻：[1]問おう貴方は.2015-5-23./v55465083.htm[2]張智,張廣鑫,李淑輝等.鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應的研究進展[J].綜述與專論,2014,36(2):132-137.[3]張穎之,周振華,于志敏等.把配合物催化的芳基一芳基不對稱偶聯(lián)反應[J].有機化學,1989,(47):404-407.[4]崔元臣,趙曉偉,張紀偉等.氮配位的無磷聚合物負載鈀配合物對Suzuki反應的催化性能[J].化學學報,2006,64(1):42-46.[5]龔軍芳,劉廣宇,朱玉等.環(huán)鈀化二茂鐵亞胺-三苯基膦配合物的合成/表征及催化Suzuki反應研究[J].高等學?；瘜W學報,2006,27(7):1266-1271.[6]于宏偉,官旻,童慶松等.醚基化二茂鐵基膦配體的合成及其對鈀催化的Suzuki偶聯(lián)反應的促進作用[J].應用化學,2011,28(8):887-891.[7]倪鄒建.鈀催化無外加配體的水相Suzuki反應[D].大連:大連理工大學,2011.[8]張義霞.鈀催化無外加加配體的純水相Suzuki反應[D].大連:大連理工大學,2013.[9]史振明,王海洋,李佳哲等.負載鈀催化Suzuki偶聯(lián)反應的研究進展[J].綜述與專論,2014,36(4):290-294.[10]徐寧,王全瑞,陶鳳崗.Merrifield樹脂負載的膦鈀催化劑制備及其在Suzuki反應中的應用[J].有機化學,2005,25(4):455-461.[11]顏美,馮秀娟.負載鈀催化的Suzuki偶聯(lián)反應研究進展[J].綜述與專注,2012,30(5):623-632.[12]王旭.負載型無配體納米Pd催化劑的制備與催化Suzuki偶聯(lián)反應的研究[D].齊齊哈爾大學:齊齊哈爾大學,2013.[13]吳玉峰.木質(zhì)素及其衍生物負載型催化劑的制備及其對C一C偶聯(lián)反應的催化性能研究[D].開封:河南大學,2009.[14]杜謹宏.有機偶氮染料還原脫色研究[D].昆明:昆明理工大學,2005.[15]彭智勇.鈀催化的偶聯(lián)反應及其機理研究[D].上海:上海交通大學,2011.[16]尚筱潔,柳忠全.鈀催化芳烴/烯烴與烯丙酯的氧化Heck交叉偶聯(lián)反應的最新研究進展[