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碳碳键的形成:过渡金属催化的芳烃和烯烃的偶联反应 第一部分Heck反应(一):引言和分子间的Heck偶联

本文作者 孙苏赟

使用过渡金属催化的方法使卤代烯烃或卤代芳烃和另一个分子发生偶联是有机合成中非常重要的用于形成新的碳碳键的方法。其中,凭借钯催化的偶联反应,Heck,Negishi和Suzuki在2010年获得了诺贝尔化学奖。这些偶联反应因为反应条件温和、效率优良而非常受到有机化学家的青睐,这些反应条件大都温和,反应中底物的官能团不需要保护基。

交叉偶联反应的一般表达是:

其中,R一般来说是烯基,炔基或芳基,也有一些烯丙基和苄基的例子。对于卤代烃来说,反应中一个常见的问题是金属的还原消除过程和转金属化的竞争反应:

因为sp3-C键角较小,因此在上边的这个例子中,饱和烃基容易发生消除而对于不饱和的烯基类则不会自发的发生消除反应。

不同底物的活性:-I,-OTf>-Br>-Cl;

R’可以是烯基或芳基的sp2-C,sp-C,sp3-C的例子比较少;

对于金属催化剂的种类,常使用软的有机金属化合物(HSAB理论),例如锡试剂,硼试剂,铜试剂,锌试剂等,这里是几个常用的金属和对应的人名反应:

其中Pd是最常用的催化剂,虽然Ni和Fe也有使用,但是远不如Pd使用的频繁。而在实际的反应中,常使用Pd(II)作为反应试剂,利用例如PPh3的还原剂将Pd(II)转化成Pd(0)(自身被氧化成Ph3P=O),再参与到偶联反应中,或者在反应中使用脂肪胺类作为碱在反应中出去中间体的氢,或是使用其他配体。

添加剂:根据反应的具体要求,可以添加碱或是不同的配体。

一、烯烃的加成:Heck反应,Mizoroki-Heck反应

关于heck反应,chemstation之前就有过一些介绍:沟吕木-赫克反应(Mizoroki-Heck反应)

1.分子间的反应

Heck反应是最常见的反应,用途也非常广,可以专一性将卤代烯烃和其他烯基或芳基等结构片段偶联在一起,反应中碱是必须的,作为束酸剂。Pd(0)是反应中实际的催化剂,可以利用Pd(II)被还原得到的,Pd(II)大都很容易被还原成Pd(0),并且含磷的配体是Heck反应所需要的。Ref.3

i.反应机理

事实上,Heck反应的机理上不很明确,并且反应试剂的活性物种是和实际的添加剂和配体有关的,当使用Pd(OAc)2/PAr3体系时,通常认为反应是通过离子机理进行的,中间体[Pd0L2OAc]作为反应的催化试剂(ref.1)。反应机理中,氧化加成是决速步骤,但是这一步的实际情况很大程度是取决于反应的底物的;而因为β-H消除具有潜在的可逆性,因此反应的产物会有两种构型。

再者还原消除过程必须要非常迅速,如果使用Ag+或Tl+作为添加剂通过Ag和卤素之间的相互作用形成配合物可以加速还原消除过程:

ii.区域选择性ref.4

对于不对称的取代烯烃,氧化加成的步骤是具有区域选择性的,在中性Pd试剂下,氧化加成的区域选择性是和底物的位阻有关的:

而对于Pd离子来说,底物的电子效应则是占主导的因素了:

对于成环的反应来说,endo-成环和exo-成环也是一个很重要的需要注意的问题。例如:

另外一个例子:ref.2

REFERENCES

  1. Acc. Chem. Res., 2000, 33 (5), pp 314–321, DOI: 10.1021/ar980063a
  2. Pure & Appl. Chem. 1994, 66, 1423–1430, DOI:1351/pac199466071423
  3. Acc. Chem. Res., 1979, 12 (4), pp 146–151, DOI: 10.1021/ar50136a006
  4. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 (12), pp 3503–3508, DOI: 10.1021/ja028755o

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