有机反应机理第九章

Ir
Cl
C O
P Ph2
Ir(III) d6
2[Co(CN)5]3－ + RX Co(II), d7
[RCo(CN)5]3－ + [XCo(CN)5]3－ Co(III), d6
Vaska络合物的各类双电子氧化加成反应如下
SiR3 LH
L HH Ir
OC Cl L
Ir OC Cl L
R3SiH
H2
反应通常在膦配体和碱存在下进行，对水不敏感
Heck反应的特点（续）
RX的反应速率按以下顺序递减，氯代烃反应慢 I > Br ~ OTf >> Cl
对于有氢的卤代烃，易发生氢消除生成烯烃
Heck反应的机理
由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括： 氧化加成（oxidative addition) 还原消除（reductive elimination) 转移金属化（transmetallation) 插入(insertion)和氢消除(-hydride elimination)
双电子配体： R2C＝ (carbenes or alkylidene groups), RN＝(imi do groups), or O＝(oxide)，以键配位的烯烃以及 R3N, RC≡N, H2O, R3P等Lewis碱
多电子配体：烯丙基（3)，丁二烯（4），环戊二烯基(cp, 5), 苯 （6）等
R1 X + H
R2
Cu(I)-complex/salt
solvent, base, reflux
R1
R2
The copper(I) mediated coupling of aryl or vinyl halides with arylor alkyl-substituted alkynes is known as the Castro-Stephens cou pling.
羰基插入
R k1
M CO k－1
R M
CO
O MC R
O
k2 L
M C R +L
MCR
O
9.2.4 转移金属化反应
9.3 过渡金属催化反应实例 9.3.1 卤代烃与不饱和烃的偶联
卤代烃与烯烃的偶联(Heck反应） 卤代烃与炔烃的偶联（Sonogashira偶联）
9.3.2 卤代烃与金属有机化合物的偶联 卤代烃与硼烷的偶联(Suzuki偶联) 卤代烃与格林亚试剂的偶联(Kumada偶联) 卤代烃与有机锌的偶联(Negishi偶联) 卤代烃与有机锡的偶联(Still偶联)
与八隅体规则不同的是，许多价壳层电子数小于18的过渡金属络合 物也能稳定存在
价壳层电子数大于18的过渡金属络合物不能稳定存在
价壳层电子数N的计算
N = ∑Nligand + dn －V
式中：Nligand为配体提供的电子数 dn为中心原子d电子数 V为络合物所带电荷数
常见配体的电子数
单电子配体：R, H, R2N, halogen, etc.,
影响氧化加成的因素（续）
配位不饱和的络合物容易发生氧化加成反应
配位饱和的络合物发生氧化加成时，必须先离解出 一个配体，生成配位不饱和的中间体，方可反应
氧化加成的逆反应：还原消除
还原消除反应中，中心原子的氧化态和配位数均 降低。中心原子电子云密度高低对还原消除反应的 影响与对氧化加成反应的影响相反
9.2.1 配体的配位和解离
9.2.2 氧化加成和还原消除反应
单电子氧化加成和双电子氧化加成
单电子氧化加成 双电子氧化加成
2LnM + A-B
LnM-A + LnM-B
LnM + A-B
A LnM
B
单电子氧化加成和双电子氧化加成
Ph2 OC P
Ir Cl P
Ph2
+ H2
Ir(I) d8
H
H
Ph2 P
9.3.1 卤代烃与不饱和烃的偶联
卤代烃与烯烃的偶联, R F Heck, 1970
H
R2
R
R2
RX + R1
Pd(0)/ligand/base
R3 solvent, heat
R1
R3
R = aryl, benzyl, alkenyl, alkyl(no hydrogen)
Heck反应的特点
烯烃中取代基电性对反应影响不大，有吸电基的烯烃收率略高；取 代基越多，反应越慢 烯丙醇在反应中会发生重排
CH3O
I
OCH3
OCH3
I
OCH3
1. CuCl/NH4OH/EtOH 2. pyridine, reflux, 24 h
80%
I
CH3O CH3O
OCH3 OCH3
CH3O
OCH3 CH3O
参考文献
Kinder, J. D., Tessier, C. A., Youngs, W. J. Synthesis of a para-methoxy substituted tribenzocyclotriyne. Synlett 1993, 149-150
Pd(II)LnX
R3 R2
Heck反应合成lasiodiplodin
MeO
OMe O O
A potent anticancer macrocyclic natural product
参考文献
Fürstner, A., Thiel, O. R., Kindler, N., Bartkowska, B. Total Synthes es of (S)-(-)-Zearalenone and Lasiodiplodin Reveal Superior Metat hesis Activity of Ruthenium Carbene Complexes with Imidazol-2-ylidene Ligands. J. Org. Chem. 2000, 65, 7990-7995
MeO
OMe O O
OTf
H2C CH2
PdCl2(PPh3)2/LiCl/NEt3/DMF 90oC, 40 bar, 20 h, 92%
MeO
OMe O O
steps
MeO
OMe O O
卤代烃与炔烃的偶联
Castro-Stephens偶联
In the early 1960s, R.D. Stephens and C.E. Castro discovered tha t disubstituted acetylenes were produced in good yield upon treat ment of aryl iodides with stoichiometric amounts of copper(I) acetylides under a nitrogen atmosphere in refluxing pyri dine
HX reductive elimination
base
LnPd(0)
RX oxidative addition
H
LnPd(II)
X
R
R2
X
LnPd(II)
RH
R2
R1
R3
syn -hydride elimination
H
R1 R
Pd(II)LnX
R3 R2
rotation
R H
R1
R1
R3
syn insertion
氧化加成的机理
氢的氧化加成：协同机理
H LnM +
H
H LnM
H
H
LnM H
氧化加成的机理（续）
卤代烃的氧化加成：亲核机理或自由基机理
M+ C X
MC X
MC
X-
MC
X-
XM C
亲核机理的实验证据
R的立体化学 构型转化
取代基效应 中心原子上的给电子配体，卤代烃分子 中的吸电子基团对反应有利
注意：d0络合物不能发生氧化加成反应
形成C－C或C－H键的还原消除往往是催化过程的最后一步
还原消除的机理
形成C－C或C－H键的还原消除通常为协同机理
Ph2
P CH3 Pd
P CH3 Ph2
80 C DMSO
CH3CH3
Hale Waihona Puke BaiduCH3 P Pd P
H3C
80 C DMSO
不反应
P
P = transphos =
P
P
9.2.3 迁移插入和氢消除反应
Castro-Stephens偶联的机理
The reaction is believed to proceed via a four-centered transition state
R1 X + R2
CuLn
－LnCuX
R1
R1
R2
X
Cu Ln
R2
Castro-Stephens偶联的缺点
Most copper(I) salts are insoluble in organic solvents, so the reacti ons are often hetero-geneous and require high reaction temperatu res
第9章 过渡金属络合物的基本反应和催化机理
9.1 过渡金属络合物的结构 9.2 过渡金属络合物的基本反应 9.3 过渡金属催化反应实例
9.1 过渡金属络合物的结构
9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算 9.1.2 键和键
9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算
过渡金属络合物可利用d轨道成键，稳定结构是价壳层电子数为18， 称为18电子规则
影响氧化加成的因素
氧化加成是中心原子氧化态升高的过程，任何使 中心原子电子云密度升高的因素都会对氧化加成 产生有利的影响
对于同系物的同类型氧化加成反应，可根据以下 规则判别反应的难易
影响氧化加成的因素（续）
中心原子氧化态越低，越有利于氧化加成 中心原子所在周期数越高，越有利于氧化加成 中心原子已有配体供电性越强，越有利于氧化加成
计算以下反应中各络合物的价壳层电子数
18
16
18
9.1.2 键和键
键：沿键轴对称
M
C
键：沿键轴反对称
给予键：键
反馈键：键
配位键的表示法
9.2 过渡金属络合物的基本反应
9.2.1 配体的配位和解离 9.2.2 氧化加成和还原消除反应 9.2.3 迁移插入和氢消除反应
9.2.4 转移金属化反应
Sonogashira偶联的特点（续）
The solvents and the reagents do not need to be rigorously dried. However, a thorough deoxygenation is essential to maintain the activity of the Pd-cataly st
The reactions are sensitive to functional groups on the aryl halides, and the yields are often irreproducible
Castro-Stephens偶联合成tribenzocyclotriyne
CH3O
Sonogashira偶联的机理
Sonogashira偶联的特点
The coupling can usually be conducted at or slightly above room t emperature
The handling of the shock-sensitive/explosive copper acetylides is avoided by the use of a catalytic amounts of copper(I) salt
LHX
Ir
OC Cl L
HX
ArSO2Cl
SO2Ar L Cl
Ir OC Cl L
L Cl Ir
OC L
HgCl2
HgCl L Cl
Ir OC Cl L
L OO Ir
OC Cl L
O2
CH3I
CH3 L Cl
Ir OC I L
MeO2CC CCO2Me
MeO 2C LC C Ir
OC Cl L
CO2Me
Sonogashira偶联，1975
Catalytic version of the Castro-Stephens coupling
R1 X + H
R2
Pd(0) or Pd(II) (cat.) / ligand
Cu(I)-salt (cat.) / base / solvent
R1
R2
Pd-catalyst: Pd(PPh3)2Cl2 or Pd(PPh3)4 Cu(I)-salt: CuI or CuBr base: Et2NH, Et3N, (i-Pr)2NEt solvent: MeCN, THF, EtOAc
烯氢插入
H +
CC
M
C CH
L
M
C CH ML
CC MH
氢消除是烯氢插入的逆反应
CC MH
烯烷基插入
A
H2C CHR1
MR
B
迁移基团R构型保持
H2C M
CHR1 R
R1HC M
CH2 R
MCH2CHRR1 MCHR1CH2R
对烯烃来说，为同向加成
Markownikoff加成和反Markownikoff加成