金属钯催化简单烯烃的官能团化反应研究

金属钯催化简单烯烃的官能团化反应研究

张克恋 化学3班

摘要 不饱和烃化合物是石油化工以及煤化工中的重要产品，是国民

经济的重要物质基础和我国可持续发展不可或缺的物质资源。迄今为止，已经有9个诺贝尔奖与不饱和烃的物质转化密切相关，特别是在2010年，获得诺贝奖的“Heck反应”已经成为合成取代烯烃的重要途径，在天然产物全合成及药物合成上得到广泛的应用。本综述将主要叙述几种十分高效的金属钯催化简单烯烃的官能团化的反应研究。

关键词 Heck 反应、交叉偶联反应、金属钯、简单烯烃。 目录

1 引言…………………………………………………………………2 2 Heck 反应…………………………………………………………2 3 金属钯催化的 C-H 、C-H 脱氢偶联构建吲哚结构……………3/4 4 钯催化芳烃/烯烃、丙烯酯及炔卤氧化Heck 交叉偶联反应……4/5 5 金属钯催化的烯烃双官能团反应研究…………………………5/7 6 展望………………………………………………………………7 7 参考文献………………………………………………………….7/8

。

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1、 引言

碳-碳键，碳-氢键和碳-杂原子键的形成反应是合成各种有机化合物分子的一个重要的途径，

奖的“Heck 反应”已经成为合成取代烯烃的重要途径，在合成反应上得到广泛的应用，促进了化学、医药、生物、材料等领域的

近年来引起了化学家的广泛兴趣。研究及发展。 特别提出的是，不饱和烃化合物是石油工业中的重要产品，是我国经济建设的重要物质基础和我国走绿色高效发展道路不可或缺的物质资源。所以研究碳-碳键，碳-氢键以及碳-杂原子之间的直接官能团转化有着十分重要的意义。在过去的几十年里，此类官能团转化反应的研究一直是学界内的研究热点，各种各样简单，方便，绿色的转化方法也相继的提出。例如，利用绿色高效的过渡金属催化的 C-H 键官能团化反应构建吲哚结构。杨丹【1】的钯

催化烯烃的直接脱氢羧基化反应: 新型乙烯醇甲酸酯类化合物的合成等。此外，2010年获得诺贝尔

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2、 Heck 反应

Heck 反应【2】是偶联反应（英文：Coupling reaction）中的一种，也作偶连反应、耦联反应、氧化偶联。它是由两个有机化学单位(molecules)进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程。通常把在碱性条件下钯催化芳烃或活性烯烃之间的偶联反应称为Heck 反应，自20世纪60年代Heck 和Morizoki 反应发现以来通过对催化剂和反应条件的不断改变使其的应用范围越来越广泛，使该反应已经成为合成取代烯烃

的重要途径。一般情况下认为Heck 反应共四步经历（如图1）：①Pd 的氧化加成；②Pd 和双键

配位；③顺式共平面插入；④顺式共平面的β-H 消除和还原消。

图1 Heck 反应

3、 金属钯催化的 C-H 、C-H

脱氢偶联构建吲哚结构

吲哚结构是构成许多天然产物和生物活性分子的重要骨架，是有机合成的重要中间体。由于

吲哚结构所具有的显著生理活性，使其成为新药设计研发的重要前体之一。不仅如此，它在生物、材、化工等领域具有广阔的应用前景。近年来成为人们研究的热点。卢贝丽【3】小组总结了该领域近年来的主要研究进展，总结出了几种绿色高效的利用金属钯催化构建吲哚结构的方法。其中提

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到Glorius 小组以Pd(OAc)2为催化剂催化带吸电子基团的 N-芳基烯胺的氧化环反应，高效的制备了2,3-二取代吲哚骨架（如图2）。随后，通过同位素动力学实验， Glorius 等人发现该反应的同位素效应提出了相应的反应机理：首先烯胺底物与 Pd(II)催化剂发生亲电钯化生成烯基钯中间体 I，中间体 I 经过 σ 键的复分解或碱促进的脱氢过程发生 C-H键官能团化得到中间体 II （或氘代中间体 II’） ，还

原消除即可得到吲哚产物和 Pd(0)，Pd(0)在氧化剂 Cu(OAc)2 的作用下即可再生 Pd(II)催化剂完成催化循环（如图3），这一创新性的发现为后来人们的的研究作出了显著性的指导意义。

图2 钯催化构建吲哚结构

图3吲哚骨架构建机理

4、 钯催化芳烃/烯烃、烯丙

酯及炔卤氧化Heck 交

叉偶联反应

长期以来, 不论是传统的

Heck 反应还是氧化Heck 反应,

绝大多数的体系均只能适用于缺

电子烯烃。富电子烯烃参与的

Heck 偶联反应十分少见。尤其在

氧化Heck 反应中, 富电子烯烃

作为偶联试剂的报道非常少。尚

筱洁【4】等人通过对富电子烯烃如

烯丙酯或烯丙醚类化合物参与的

氧化Heck 偶联反应的研究，发现

加入一个简单的配体和二甲基亚

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砜(DMSO), 即能顺利实现一系列芳烃、杂环芳烃以及缺电子多氟芳烃与富电子烯烃如烯丙酯或烯丙醚的氧化Fujiwara-Moritan i 偶联（如图4）, 构建多取代烯烃。值得指出的是，该反应十分高效绿色，而且它有效的保留了酯基，也扩大了Heck 反应的底物范围，

为碳-碳键的官能团提供了更多

的选择。另外，Fernandes, RA 【5】研究的使用氯化钯/铬酸体系催

化合成末端烯烃甲基酮（如图5）。

该方法显示出良好的官能团的相

容性，并且无醛的副产物，在操

作上也很简单。华南理工大学的

李晓健【6】研究了离子液体中稳定

的钯活性物种及其在未活化烯烃

偶联反应中的应用得到了一系列

的研究结果。还有Olla, CMR【7】

的研究也发现了金属钯在催化端

炔和羰基的偶联反应上具有无可

比拟的效果。

【9】

Tay, DW等人的研究也同样表明

富电子杂芳基溴化物和未活化烯烃交叉偶联催化反应（如图7） 中未受保护的官能团对低催化剂

图4

图5钯催化合成末端烯烃甲基酮

近年，温燕梅【8】等人发展了

一种在5 mol% Pd(OAc)2, 2.5 equiv. K2CO3, DMF溶剂中以末端烯和炔基溴的交叉偶联反应合成1,3-共轭烯炔衍生物的方法（如图6）。研究表明该方法具有非常广泛的底物普适性，反应条

件温和, 不需要任何配体和添加剂, 区域选择性高，高效地得到共轭烯炔化合物。为共轭烯炔化合物合成提供了简便的途径。同时，

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载量的耐受性良好，且产率极高（高达99％），得到了以前所未有的底物多样性，并且，产物可以实现进一步的官能团化，为其他的反应提供了更简洁的途径。

图6

交叉偶联反应合成1,3-共轭烯炔衍生物

图7富电子杂芳基溴化物和未活化烯烃交

叉偶联催化反应

5、

金属钯催化的烯烃双官能

团化反应研究

吴涛做了一系列关于金属钯

endo 型变为ex o 型胺钯化，并通

催的烯烃的双官能团化反应研究，过引入添加剂成功地抑制了反应主要包括1、钯催化的非活性烯烃分子内的胺氟化反应研究；它是利用三价碘作为氧化剂，氟化银作为氟原子的来源，成功地实现了非活性烯烃的分子内胺氟化反应。在非常温和的条件下，实现了烯烃的双官能团化，高效地构建了C-N 和C-F 键，得到了含氟的哌啶类化合物。通过对反应机理的研究，认为该反应是通过了一个Pd(Ⅱ)/Pd(Ⅳ) 的循环过程，经胺钯化形成的sp 3 C-Pd(Ⅱ) 键被三价碘氧化到sp 3C-Pd(Ⅳ) 键，继而与AgF 作用发生还原消除形成C-F 键。2、钯催化的非活性烯烃分子内的胺氟化反应区域选择性研究，则是通过改变烯烃底物中氮原子保护基，增加其与催化剂的配位能力从而改变胺钯化反应的区域选择性，由原来的

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中C-O 键形成的副反应，得到了含一氟甲基的五元杂环化合物，并拓展了底物类型。3、钯催化的活性烯烃分子内的芳基烷基化暨乙腈的C-H 键活化反应研究；利用三价碘/氟化银体系，成功高效地实现了活性烯烃分子内的芳基烷基化反应。该反应机理研究表明，首先是通过了类似付克烷基化类型的反应得到一个C-Pd 键，接着在氟化银和氧化剂的情况下实现了乙腈C-H 键的活化，最后发生还原消除得到含有氰基的吲哚啉酮类产物。这一系列研究都利用钯化学中Pd(Ⅱ)/Pd(Ⅳ) 循环模式，针对当前有机化学中关于烯烃转化疑难和重要的课题进行了探索。黄良斌【10】的研究则是通过抑制烷基金属物种的β-H 消除实现烷基金属物种的官能团

化，即实现烯烃的双官能团。在研究金属钯催化烯烃官能团化过程中Sigman, MS

【11】

参考文献

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则意外的发现

了亲电子的Pd-σ-烷基中间体能够在β-氢消除电子不等价的【3】 卢贝丽, 李现艳, 林咏梅. 过渡金属

C-H 键之间进行区分，这样一来扩大了Heck 反应的烯烃底物，使得研究范围大大的拓宽了。

6、 展望

碳-碳键和碳-杂原

键的形成反应是合成各种有机化合物分子的重要的途径。近几年来一直是业界内研究的热点。学者们的研究也充分的表明过渡金属钯催化芳烃、烯烃的氧化脱氢偶联等反应有着高效、绿色、便利等等其他催化剂无可比拟的特点。本人相信在今后关于钯催化碳-碳键、碳-氢键以及碳-杂原子键的构建反应研究必会层出不穷，为我们寻求更绿色高效的发展终端提供便捷的途径。

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