钯催化交叉偶联反应

钯催化的交叉偶联反应

一、偶联反应综述

1．交叉偶联反应

偶联反应，从广义上讲，就是由两个有机分子进行某种化学反应而生成一个新有机分子的过程。狭义的偶联反应是涉及有机金属催化剂的碳－碳键生成的反应，根据类型的不同，又可分为自身偶联反应和交叉偶联。交叉偶联反应是一个有机分子与另一有机分子发生的不对称偶联反应。

2．碳碳键形成的重要性

新碳－碳键的形成在有机化学中是极其重要的。人们了解了天然有机物质的结构和性能，并根据有机物质的结构，通过碳原子组装成链，建立有机分子，最终实现天然有机物质的人工合成。目前为止，人类已经利用有机合成化学手段创造出几千万种物质，且越来越多的有机物质已经广泛应用到制药、建材、食品、纺织等人类生活领域，我们的生活也几乎离不开有机物了。合成药物、塑料等有机物质时，需要用小的有机分子将碳原子连接在一起构建新的复杂大分子，因而有机合成中高效的连接碳－碳键的方法是有机合成化学中的重要工具。从以往该领域诺贝尔化学奖的授予情况也可以看出合成新碳－碳键的重要性:1912年维克多·格林尼亚因发明格林尼亚试剂——有机镁试剂获奖，1950年迪尔斯和阿尔德因发明双烯反应迪尔斯－阿尔德反应获奖，1979年维蒂希与布朗因发明维蒂希反应共同获奖，2005年伊夫·肖万、罗伯特·格拉布、理查德·施罗克因在有机化学的烯烃复分解反应研究方面作了突出贡献获奖。

3．有机合成中的钯催化交叉偶联反应

随着时代发展，合成有机化学的研究愈加深入，20世纪后半期，科学家们发现了大量通过过渡金属催化来创造新有机分子的反应，促使有机合成化学快速发展。

特别是赫克、根岸英一和铃木章发现的钯催化交叉偶联反应，为化学家们提供了一个更为精确有效的工具。三位科学家发现的钯催化交叉偶联反应中都使用了金属钯作为反应的催化剂，当碳原子与钯原子连在一起时，钯原子唤醒了“懒惰”的碳原子但又不至于使它太活泼，于是形成温和的碳－钯键，在反应过程中，钯原子又可以把别的碳原子吸引过来，形成另一个金属－碳键，此时两个碳原子都连接在钯原子上，它们的距离足够接近而发生反应，生成新的碳－碳单键。以下两个反应式代表了典型的两类钯催化交叉偶联反应。

上述两个反应的催化剂都是零价的金属钯，都使用卤代烃RX（或卤代烃的类似物）作为亲电偶联试剂。区别在于两个反应所选用的亲核偶联试剂，在反应（1）中，选用的是烯烃，反应（2）中则是一种有机金属化合物R〃M（M为Zn，B，Al 或Sn）。我们所熟知的赫克反应属于反应（1）这一类的交叉偶联反应，根岸反应和铃木反应属于反应（2）这一类。由于反应底物不同，三个反应的应用范围和适用途径也各不相同。

4．“钯催化的交叉偶联反应”内容及反应原理

（1）Heck反应

Heck反应以有机钯配合物为催化剂得到具有立体专一性的芳香代烯烃（图1）。反应物主要是卤代芳烃（碘、溴）与含有吸电子基团的烯烃。该反应的催化剂通常用Pd（0），Pd（II）或含Pd的配合物（常用醋酸钯和三苯基膦）。卤代烃首先与A 发生氧化加成反应，C-X键的断裂与Pd-C和Pd-X键的形成是同步进行的。氧化加成反应是偶联反应中最常见的决速步骤，经过氧化加成化合物A生成中间体B，B再经过配体解离，得到化合物RPdLX。RPdLX先与烯烃配位，然后再经烯烃插入，配

体配位得到中间体C。中间体C的C-C键旋转，得到其构象异构体，从而可以进行β－消除反应，生成化合物D和目标产物——烃基化的烯烃。在碱性（如三乙胺）条件下，碱与化合物D生成具有催化活性的零价钯，完成整个催化循环反应。

图1 Heck反应机理

（2）Negishi反应

Negishi反应的催化剂也是用具有催化活性的零价金属，如钯、镍等。反应整体上经历氧化加成、金属转移、还原消除等步骤（图2）。芳基卤代烃首先与零价钯发生氧化加成反应，得到中间体RPdX，卤化烃基锌R’ZnX向中间体RPdX迁移，并进行金属转移得到ZnX2和中间体RPdR’，中间体RPdR’经异构化得到顺式的络合物从而能很快地发生还原消除反应，得到化合物RR’，钯催化剂进入下一轮的催化。

图2 Negishi反应机理

（3）Suzuki反应

溴代芳烃和碘代芳烃是Suzuki反应（图3）中常见的亲电试剂，当然也可以是三氟甲基磺酸酯、重氮盐等。芳基硼酸通常是由芳基锂或格氏试剂与烷基硼酸酯反应制得，芳基硼酸在空气中稳定，可以长期保存。Suzuki反应机理与Negishi反应类似，经历了三个过程:氧化加成、芳基阴离子向金属中心迁移和还原消除。卤代芳烃首先与Pd（0）进行氧化加成，得到ArPdX中间体，该中间体再与一分子碱作用得到中间体ArPdOH;另一分子的碱与硼酸作用得到硼酸盐，从而使得芳基具有更强的富电性，有利于芳基向ArPdOH中间体的金属原子迁移，一般来说，只有Pd（II）才能发生金属中心迁移。金属中心迁移作用是通过一个四员环过渡态（four-centerintermediate）进行的。但是值得注意的是，一些反应的添加剂可以通过改变过渡态的结构加速金属中心迁移作用，例如碱可以加速Suzuki反应。在Ar’PdOH和ArB’OH的协同作用下，得到配合物中间体ArPdAr’，该中间体经过还原消除得到芳基偶联产物和零价钯，完成整个循环过程。

图3 Suzuki反应机理

二、合成目标产物

N

N

Benzenamine, 4-(2-phenylethynyl)-N-(2-pyridinylmethylene)-

图4 目标产物

1．反应方程式：

①

A B C

②

D E

2．具体实验步骤与分离纯化方法：

（1）进行反应①：

在放有磁子的50 mL圆底烧瓶中加入A（mol）和B（mol）。将烧瓶0置于微波合成仪中，确认磁子旋转后关闭炉门，开始实验。实验结束后，将反应液加入乙