2010年诺贝尔化学奖获得者之一 Heck

2010年诺贝尔化学奖
获得者之一
Heck
引语
2009年10月6日, 瑞典皇家科学院宣布, 美国科学家Richard F. Heck(理查德赫克)、日本科学家Ei-ichi Negishi(根岸英一)和Akira Suzuki(铃木章)共同获得今年的诺贝尔化学奖。

接下来将重点介绍
Heck。

生平
美国教授Richard F. Heck, 1931 年出生于美国的斯普林菲尔德, 1954 年在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校获
得博士学位. 随后他进入瑞士苏黎世联
邦工学院从事博士后研究, 后在美国特拉
华大学任教, 于1989 年退休. Richard F.
Heck 现为特拉华大学名誉教授。

Richard F. Heck Born: 15 August 1931, Springfield,
MA, USA
Affiliation at the time of the award: University of
Delaware, USA
Prize motivation: "for palladium-catalyzed cross couplings in organic synthesis"
Field: organic chemistry
Prize share: 1/3
研究过程
. 1968 年, Heck 利用等当量的PdX2 与有机汞试剂催化烯烃与卤代烃的偶联反应, 反应时通过Pd(Ⅱ)与有机汞进行金属交换, 从而形成Pd 插入的卤代烃中间体, 再与烯烃进行偶联. 这种以有机汞为前体的Heck 反应在室温下即可顺利进行, 含有不饱和官能团(如烯烃、羰基等)的化合物均可通过Pd 的参与而进行碳-碳偶联. 当然, 从反应过程中我们也可以看到一定的不足: (1) 采用了毒性高并且昂贵的有机汞试剂; (2) 需要等当量的贵金属Pd(Ⅱ), 所以往往需要加入CuCl2 重新氧化反应过程中形成的Pd(0)以满足Pd(Ⅱ)的用量. 随后, Heck 等人[3~7]发表了一系列论文来说明在室温下发生的碳碳加成反应. 他们将PhPdCl 与乙烯反应直接得到苯乙烯. 后来, Fitton 和Mckeon 等人[8,9]发现Pd(0)的膦配体与卤代芳烃氧化加成可以形成Ar-Pd(L2)-X配合物. 受这一发现的启发, 1972 年Heck 等人发展了用催化量Pd 催化烯烃的芳基化反应, 也就是现在被广泛使用的Heck反应. 虽然Heck反应已经很好地应用在化学的各个领域, 但随着科学技术的不断进步以及人们要求的提高, Heck 反应仍处于金属催化的研究前沿领域, 还有一些问题亟待改善. 例如研究开发新型
膦配体来解决氯代物反应活性很低的难题. 1999 年, Fu 小组[10]报道了使用大位阻、富电子的P(t-Bu)3 作为配体结合Pd2(dba)3, 能有
效地催化氯苯与双键的偶联, 产率可达到80%. 但由于P(t-Bu)3 配体易被氧化, 且此催化剂对于含有吸电子基团的氯苯活性较低, 因此很快又发展了环钯化合物. 早的环钯催化剂是Herrmann 催化剂[11], 因其含磷量低、高效及结构新颖而成为很好的催化剂, 其催化反应15 h 可达到90%的转化率.
相应成果及应用
Heck反应是偶联反应中的
一种，也作偶连反应、耦联反应、
氧化偶联，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。

这里的化学反应包括格氏试剂与亲电体的反应(Grinard)，锂试剂与亲电体的反应,芳环上的亲电和亲核反应(Diazo,
Addition-Elimination)，还有钠存在下的Wutz反应。

Heck反应所用的催化剂主要是含钯类化合物。

所用的卤化物和三氟基甲磺酸盐是一类芳基化合物，甲苯基化合物和乙烯基化合物等。

催化剂主要有氯化钯，醋酸钯，三苯基膦钯等。

载体主要有三苯基膦，BINAP等。

所用的碱主要有三乙胺，碳酸钾，醋酸钠等。

Heck Reaction
The palladium-catalyzed C-C coupling between aryl halides or vinyl halides and activated alkenes in the presence of a base is referred as the "Heck Reaction". Recent developments in the catalysts and reaction conditions have resulted in a much broader range of donors and acceptors being amenable to the Heck Reaction.
One of the benefits of the Heck Reaction is its outstanding trans selectivity.
机理
Heck 反应的机理主要分为四个步骤:
(1)氧化加成. 上式催化循环的第一步是芳基卤和Pd(0)的氧化加成, Titton报道的芳基卤和Pd0(PPh3)4的作用支持了氧化加成步骤的机理, Titton 还报道了芳基卤活性次序: ArI＞ArBr＞＞ArCl.
(2)烯烃插入. 氧化加成给出反式的σ芳基Pd(II)卤化物ArPdXL2, 脱去一个PPh3配体后与烯烃配位, 再经过烯的顺式插入, 得到σ烷基Pa(II)卤化物[5,6], 读者可以参照上述催化循环机理图.
(3) β负氢消除. 上述催化循环机理图中的σ烷基Pa(II)卤化物有一个C—C键内旋转, 结果使得β氢原子(与sp3碳原子相连)和Pd 原子处于顺式位置, 接着产生了顺式的β负氢消除. 这个顺式的β负氢消除反应会是一个可逆的过程.
(4)还原消除. 钯催化的偶联反应产物(与芳基直接相连的烯烃
衍生物)游离产生以后, H—Pd(II)的卤化物再经过一个可逆还原消除
过程, 再生出具有催化活性的Pd(0)的络合物. 碱性的辅助催化剂通过粗灭产生的卤化氢, 促使还原消除过程向Pd(0)络合物催化剂方向移动.
机理中涉及一些不同的Pd(0)和Pd(II)的中间体, 这些中间体的结构和活性依靠实验条件, 钯催化剂可以是Pd(0)的络合物, 如
Pd(PPh3)4, 可以是Pd(OAc)2 等. 当Pd(OAc)2 作为催化剂时, 需要加入1,3-二(二苯基膦基) 丙基(dppp), 首先形成
Pd(OAc)2(dppp), 再得到离子型络合物Pd0(dppp)(OAc)－[7], Pd0(dppp)(OAc)－分解得到Pd(0)络合物Pd(dppp). 1
最近文献
An Efficient and General Method for the Heck and Buchwald-Hartwig Coupling Reactions of Aryl Chlorides
D.-H. Lee, A. Taher, S. Hossain, M.-J. Jin, Org. Lett., 2011, 13, 5540-5543.
Palladium-Catalyzed Heck Reaction of Aryl Chlorides under Mild Conditions Promoted by Organic Ionic Bases
H.-J. Xu, Y.-Q. Zhao, X.-F. Zhou, J. Org. Chem., 2011, 76, 8036-8041.
Efficient Aqueous-Phase Heck Reaction Catalyzed by a Robust Hydrophilic Pyridine-Bridged Bisbenzimidazolylidene-Palladium Pincer Complex
Z. Wang, X. Feng, W. Fang, T. Tu, Synlett, 2011, 951-954.
An efficient and simple protocol for phosphine-free Heck reactions in water in the presence of a Pd(L-proline)2 complex as the catalyst under controlled microwave irradiation conditions is versatile and provides excellent yields of products in short reaction times. The reaction system minimizes costs, operational hazards and environmental pollution.
B. K. Allam, K. N. Singh, Synthesis, 2011, 1125-1131.
应用
由于该反应在肉桂酸酯类衍生物、某些医药中间体的合成总有着广泛的应用，受到了人们的极大关注。

近年来人们又利用分子内Heck反
应合成了很多复杂化合物，也有不少学者用Heck反应合成高分子化合物。

工业生产的萘普生和防晒油中的主要成分桂皮酸盐都是通过Heck反应生产的。

现阶段及未来发展
利用价格低廉的卤代芳烃包括卤代杂环芳烃等，通过钯及其配合物催化进行偶联反应，能够较为容易地构建C军C 键，一直是化学界中引人注目而又存在挑战的课题。

经过不断努力，目前已取得很大的进展。

例如通过选取适当的配体，通常选用的是富电子大体积的含磷化合物或碳烯作为钯催化剂的配体，以提高催化活性，在调节反应立体或区域选择性等方面取得了较大的突破。

尤其近年来开发一些催化效果好但价格低廉事易合成的氯化钯及其配合物所组成的催化体系。

尽管氯化钯及其配合物催化偶联反应已取得了较大的进展，但反应过程中还存在许多难题，例如一些催化剂或催化效率不高，催化剂用量大或配体难于合成或反应介质对环境毒害大等等。

虽然已开发了许多催化效率高且选择性好催化体系，但是这其中一些催化剂对反应环境要求苛刻，对水和空气等敏感。

因此有待多开发一些水溶性催化体系，从而改善反应的为绿色性，所有这些都将值得我们进一步研究。

我们相信随着对钯催化交叉偶联深入研究，各种经济，绿色和高效的氯化钯及其配合物所组成的催化体系催化偶联反应的新途径有望得到开发和应用。

高分子材料与工程3班
黄钰康
2014.12.12。