Heck反应的发现及发展

Heck反应的发现及发展

摘要Heck反应是一类重要的有机反应，用于卤代芳烃的烯基化，此外还有羰基化方法。本文主要介绍了Heck反应的发现，催化剂的发展，羰基化的发展。

关键词Heck反应；催化剂；羰基化

1Heck反应的发现

早在1969年，Fujiwara、Heck等人报道了利用芳烃或芳基汞化合物对烯烃进行芳基化的反应，但该过程会消耗定量的二价钯化合物，形成单质钯[1]。1971年，Mizoroki等人顺利在PdCl2的催化下用碘苯对烯烃进行芳基化，反应过程中产生的HI用乙酸钾吸收[2]。研究人员发现，只要乙酸钾的量超过碘苯，生成的苯乙烯就不会发生聚合。反应可用下式表示：

Scheme 1

钯最初是以二价存在，但在反应过程中会被还原成单质钯，但单质钯与PdCl2的催化活性相当，这是与Fujiwara等人报道的反应的一大区别。吡啶，三乙胺，苯甲酸钾都可用来吸收HI，但乙酸钾的效果最好。在乙酸钾过量的情况下，碘苯与乙烯生成的苯乙烯会进一步与碘苯反应，生成反-1,2-二苯乙烯以及1,1-二苯乙烯。若以苯乙烯、丙烯、丙烯酸甲酯作烯烃，则主要产物分别是反-1,2-二苯乙烯，β-甲基苯乙烯，肉桂酸甲酯。由此可以发现，苯基主要取代烯烃化合物原取代基的β位，而且以反式产物为主，以避免较大的空间位阻。

1972年，Heck等人以芳基卤、苄基卤和苯乙烯基卤等对烯键上的氢进行取代，该反应使用有一定空间位阻的胺吸收生成的卤化氢，并且不需要高压体系，而是直接常压下100°C回流（Mizoroki报道的反应温度是120°C），而且不需要添加溶剂（Heck曾使用1-甲基-2吡咯烷酮作溶剂，但效果并不明显），催化剂使用乙酸钯[3]。Heck本人之前曾用有机汞、锡和铅等对烯烃进行芳基化和烷基化，Heck指出该种方法存在两个不足之处：首先，制备有机汞、锡和铅等化合物并不方便；其次，反应中盐形成的浑浊悬浮液难以处置，尤其是反应在钯催化下进

行的时候。新发展的方法很好地解决了这两个问题。

Heck使用的催化剂钯最初是二价态，但反应中钯会被还原，与特定的卤代烃形成卤代有机钯（此时钯为二价态）。此时若体系中有烯烃，则卤代有机钯会先与烯烃加成，再消去卤代氢化钯，最终实现对烯烃的取代。卤代氢化钯会脱去HX，继续参与循环。机理图如下：

Scheme 2

虽然Mizoroki认为Pd的催化效果与PdCl2无异，但是Heck指出，将Pd分散在碳上作催化剂，其活性不如乙酸钯，不仅反应时间长，而且产率也较低。研究发现，碘代物的反应速率最快，而溴、氯代芳烃的反应效果不佳。比如，溴苯可以参与反应，但反应速率在150 °C依然很慢。苄氯、β-溴苯乙烯活性不如碘代芳烃，但延长反应时间可以得到不错的产率。当烯烃的双键与亚甲基相邻时，产率比较低。

与有机汞反应相比，Heck反应有一定的优势，尤其是在制备大量材料方面。但是，Heck反应也存在一些不足。比如，顺-1-苯基-丙烯及反-1-苯基-丙烯的苯基化并未出现很好的立体选择性。此外，反应过程中有可能出现异构化，比如碳碳双键会发生迁移。碳碳双键的迁移应该是反应所导致的，其过程可能是卤代氢化钯与烯烃生成π复合物，因为在反应条件下烯烃本身并不会发生异构化。而且温度越高，反应中双键的迁移现象越严重。苄氯与丙烯酸甲酯反应，生成的主要产物发生过重排，如图所示。

Scheme 3

但是苄基乙酸汞与丙烯酸甲酯在室温下反应则只生成反-4-苯基-2-丙烯酸甲

酯。其他的缺陷包括不能使用对碱敏感的烯烃比如丙烯醛，以及无法实现甲基化等。

2Heck反应催化剂

对于Heck反应，最初的催化剂用的是Pd盐，比如氯化钯、乙酸钯等。后来又出现了非Pd催化剂，比如铜、铁、镍等催化剂。以下将分别介绍这两大类催化剂。

2.1 Pd催化剂

Pd催化剂能有效催化Heck反应，但它们难以从反应体系中分离和回收再利用，而且在反应过程中易生成钯黑，不但使催化剂的活性降低，而且会污染反应产物。所谓负载型Pd催化剂，是指将贵金属Pd负载于无机或有机材料上，不仅可以保持其催化活性，还有利于反应后的分离和回收，此外，负载材料的空间效应还能影响产物的构型。

Seckin等研制了以聚酰亚胺作载体的催化剂，并测试了其在苯乙烯与卤代芳烃反应中的催化效果。结果表明，该催化剂与苯基膦类催化剂相比，价格低廉，反应速率高，在空气中稳定，能大规模应用[4]。

Datta等对油溶性聚-4甲基苯乙烯极性溴化、膦化，该聚合物与Pd配位后能高效催化Heck反应，并且由于膦含富电子基团，该配合物在空气中很稳定。该催化剂可以用纳米滤膜过滤，但由于Heck反应用的是极性疏质子溶剂，会对滤膜造成破坏，因而限制了该方法的应用[5]。

Bigi等人研制了能有效催化Heck反应的Pd/SiO2催化体系。乙酸钯与SiO2、硫脲形成的衍生物作用，形成的催化剂并不稳定。经过煅烧，该催化剂变得稳定，但其活性严重依赖于煅烧温度。研究发现，这种依赖性应该是负载材料的表面结构所引起的[6]。

Dahan等人在聚苯乙烯与膦钯复合物之间加了一层树枝状的结构，研究发现，树枝层数越多，空间越大，催化效果也越好。对于某些反应，该催化剂甚至能将产率提高的100%[7]。

Figure 1

2.2 非Pd催化剂

Pd是最早发展起来的Heck催化剂，但随着研究的深入，不少研究人员开始探索非钯催化体系，比如Fe、Cu、Co等等，其中不少催化体系显示了不错的催化效果和选择性。以下将进行简要介绍。

Loska等人发展了基于FeCl2的催化体系，该体系以叔丁醇钾作碱，以DMSO 作溶剂。其特点在于：一，对碘代芳烃或杂芳烃与苯乙烯的催化具有立体选择性，主要产物是E型烯烃；二，反应条件温和，反应温度仅为60 °C。当加入脯氨酸或吡啶羧酸作为配体时，反应可收得最好产率。但溴代芳烃或溴代吡啶与苯乙烯反应的产率比较低[8]。

Wang等人利用FeCl3•6H2O作催化剂，2，2’-二氨基-6,6’-二甲基联苯作配体，NaHCO3作碱，在DMF和水的混合溶剂中催化碘代芳烃与丙烯酸甲酯的反应，效果良好。研究发现，适量的水有助于获得高产率[9]。

Iyer等人于1997年首次报道了亚铜盐对卤代芳烃或卤代烯烃的烯基化的催化作用。在该催化体系下，碳酸钾作碱，N-甲基吡咯烷酮作溶剂，产率最高能达到85%，但缺点也很明显：一，反应温度太高，达到150 °C；二，反应时间太长，最高达到51 h，最短也有18 h；三，需要氩气保护[10]。2000年，Iyer等人利用Cu/Al2O3催化Heck反应，基本沿用了之前的碱及溶剂。所使用的烯烃包括丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯和苯乙烯，碘代芳烃分别是对甲氧基碘苯、对氯碘苯和对硝基碘苯，但随着苯上取代基团吸电子效应的增强，产率并未出现规律性的升高。而且，对硝基碘苯与甲基丙烯酸乙酯的反应使用的碱是三丁基胺，最终对硝基苯基取代了甲基氢，而非烯基氢[11]。

Li等人利用CuI/Dabco（Dabco作配体）对Heck反应进行催化，取得了不错的效果。该催化体系以碳酸钾作碱，乙醇作溶剂，反应温度控制在80 °C。研