金属有机化学

和Kumada偶联反应相比， Suzuki偶联反应容忍更多的官能团
Br + OHC B(OH)2 5 mol% Pd(PPh3)4 Na2CO3, THF/H2O Reflux OHC
立体专一性反应
R O B 1 mol% PdCl2 2 mol% PPh3 O + Br R' NaOEt/EtOH, C6H6 1 mol% PdCl2 2 mol% PPh3 O + Br R' NaOEt/EtOH, C6H6 R R'
MgCl.LiCl F
I + CO2Et
2 mol% Pd(dba)2 3 mol% L -20 oC, 5-10 h
F
F Me2N
PCy2
CO2Et
L
Martin R.; Buchwald, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3844-3845
F3C I i-PrMgCl.LiCl + CF3 CF3 O O L i-Pr MgCl.LiCl Br 4 mol% Pd(OAc)2 3 mol% L THF, 25 oC MeO i-Pr PCy2
RX + R'Si(R")3
Pd(0) (catalytic) Ligand, Activator Solvent
R R'
Hatanaka, Y.; Hiyama, J. Org. Chem. 1988, 53, 918
Stille Coupling:
RX + R'Sn(R")3
Pd(0) (catalytic) Ligand, Base Solvent
R
反应速度：Ar-I > Ar-Br > Ar-Cl
和芳基卤代物亲核取代相反
还原消除
A Ln M B LnM + A B
还原消除是氧化的加成的逆反应，金属的价态降低2价 插入反应和反插入反应 插入反应是指不饱和键插入到M-H或M-C键中 1、一氧化碳的插入反应和脱羰基反应 一氧化碳插入反应
R Ln M C O Ln M C O R O Ln M C
AIBN
Bu3Sn
R R' OH
反应能容忍官能团，但是有机锡试剂有毒
Negishi 偶联反应(Negishi Coupling)
R X + Pd R' ZnX R R'
有机锌试剂的合成
R' X Zn R'
X
ZnX
ZnCl2 R ZnCl
R
X
+ M M = Li, Mg
Negishi Coupling:
RX + R'ZnX'
NiCl2L2 (cat) Pd(0) (catalytic) Solvent/ Ligand R R'
Baba, S.; Negishi, E. J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 6729
Hiyama Coupling:
过渡金属 有机化合 物基元反 应的类型
1、配体的配位与解离
S (solvent) MLn S
MLn-1
+
L
配体的解离（溶剂化）
[ MLnL' ]
MLn + L'
MLnL'
K=
[ MLn] [L']
配体的配位，K值越大，配合物越稳定，活性小； K值越小，配合物越不稳定
2、过渡金属和烯烃的配位 Chatt-Dewar-Duncanson模型 以乙烯和过渡金属配位为例
H MLn
Ln
M
CH2CHR
-L Ln-1
H2C M
CHR H Ln-1
H2C M
CHR H
H2C
CHR
如果无空配位
H MLn-1
有空轨道
配位烯烃发生的反应
M M Nu
-
Nu MHale Waihona Puke Baidu
乙烯的Wacker氧化
PdCl2/CuCl2 H2C CH2 H2O H3C
O H
反应机理
H CH2 CH2 O H CH3 H O Pd Cl H3C H + Pd(0) + HCl PdCl2 CH2 Cl2Pd CH2 O H H -HCl Pd ClPd Cl OH H OH
MLn Kd MLn-1 + L
L越大，Kd越大
氧化加成与还原消除
氧化加成是指低价金属与一个化学键发生的反应，使化学键两边的原子同 时和金属相连
A LnM B X+2价
氧化加成 氢气的氧化加成
OC Ir Me2PhP Cl
A
B +
LnM X价
PPhMe2 PPhMe2 OC H2 Cl Ir H PPhMe2 H
RX + R'M Catalyst R R' RX = RI, RBr, RCl, R-OR", R-NR"2; R'M = R'-Metal, R'-H
H
R3 R2
Mizoroki-Heck Coupling:
R1X
Pd(0) (catalytic) Ligand, Base Solvent
R1 R1
T. Mizoroki (???)
M. Kumada, (Died 28 June 2007)
K. Sonogashira, (Retired in 2004) J. K. Stille, (Died 19 July 1989)
Cross-Coupling Reaction：指在金属催化剂催化下，RX（X= 卤素、 OTf、磷酸酯等离去基团）与有机金属试剂发生的碳碳键形成反应
立体专一的反应
Ph Br + MeMgBr NiCl2L2 Ph Me Ph Br + MeMgBr NiCl2L2 Ph Me
不足之处：难以容忍更多的官能团
Cross-Coupling of Functionalized Grignard Reagents
F I F i-PrMgCl.LiCl F
Manolikakes, G.; Knochel, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 205-209.
Suzuki 偶联反应 Suzuki偶联反应是指在钯催化下，RX（X= 卤素、OTf、磷酸 酯等离去基团）与有机硼试剂发生的碳碳键形成反应
R X + R' B Pd Base R R'
Pioneering works on Metal-Catalyzed CrossCoupling Reaction for the Creation of CarbonCarbon Bonds
A. Suzuki E. Negishi R. Heck
The peoples who merit Nobel Prize, but finally lose:
1. 烯烃的成键轨道供给电子和金属的d空轨道重叠； 2. 金属的全满d轨道和烯烃的反键轨道相重叠，形成反馈键
C M C 反键轨道形成的反馈键 成键轨道形成的配位键
烯烃供电子给金属的是轴对称的（头对头重叠），定义为σ键； 金属的成键d轨道向烯烃的反键轨道反馈形成的键，定义为键
成键的结果是烯烃成键轨道电子云密度降低，*反键轨道 电子云密度增加；烯烃被活化。
CuCl2 PdCl2
卤代芳烃羰基化反应（一氧化碳配体的反应）
I Pd(0) CO, MeOH CO2Me
CO2Me Pd(0) 还原消除 Pd CO Me 2 氧化加成
I
PdI CO
H HI I Pd Me O C O I Pd C O
CH3OH
Palladium-Catalyzed Cross-Coupling ----- 2010 Noble Prize in Chemistry
CO Ln M R
R
脱羰基反应：一氧化碳插入反应的逆反应
COCH2Ph Cl O RhCl(PPh3)3 Ph3P Rh Ph3P Cl CO PhH2C Rh Ph3P Cl PPh3 Cl Cl + RhCl(CO)(PPh3)3 PPh3 Ph3P Cl Cl -PPh3 Cl Rh PPh3 Ph O
R R'
Kosugi, M.; Simizu, Y.; Migita, T. Chem. Lett. 1977, 1423
Milstein, D.; Stille, J. K. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 3636
Sonogashira Coupling:
RX
+
R'
Pd(0) (catalytic) Cu(I) (catalytic) Ligand, Base Solvent
2、烯烃的插入与-H消除 烯烃的插入
M R M R M R 顺式加成 M R
-氢消除的过程
1. 金属空配位或者配体解离 2. M-C和C-H键共平面 3. 消除生成双键 4. 生成的烯烃从金属解离
H2C Ln M CHR H Ln H2C M CHR H H2C CHR
Ln
M
CH2CHR
如果有空配位
金属有机化学-均相催化，2010-11-16
Catalytic Cross-Coupling Reactions
龚流柱
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学 国家实验室，化学系
过渡金属有机化合物的基元反应 1. 配体的配位与解离反应 2. 氧化加成和还原消除反应 3. 插入反应和消除反应 4. 和金属络合物的配体反应
O B R O
X R
(1) B(OR)3 (2) H2O R
B(OH)2
Stille 偶联反应(Stille Coupling)
R X + Pd R' Sn R R'
有机锡试剂的合成
R X + M R M X Bu3SnCl R SnBu3
EWG
+
Bu3SnH
R3Sn
EWG
R R' OH + Bu3SnH
R3 R2
+ R1
Mizoroki, T. Bull. Chem. Soc. Jap. 1971, 44, 581; Heck, R. F. J. Org. Chem. 1972, 37, 2320-2322
Kumada Coupling:
RX + R'MgX'
NiCl2L2 (cat) Pd(0) (catalytic) Solvent/ Ligand R R'
R
R'
Sonogashira, K.; Tohda, Y.; Hagihara, N. Tetrahedron Lett. 1975, 4467
Kumada 反应机理
NiX2L2 R' MgX R' MgX2 L2NiR'2 R X R L2Ni X R R' Homo-coupling R' R L2Ni R' R R' Cross-Coupling X R X MgX R L2Ni R' MgXX'
三价磷配体
R1 R2 R3 P
三价磷是有机金属催化的重 要配体，它的电子和空间结 构都可调，适用于不同金属
不同结构的三价磷提供孤对电子的能力 PMe3≈ P(NR2)3 > PAr3> PAr3> P(OMe)3 配体的空间位阻对配位的影响 配体的体积越大，络合物越容易解离。在金属催化的反应中， 通过改变配体位阻调节络合物的解离程度
RX + R'B(R")3
Pd(0) (catalytic) Ligand, Base Solvent
R R'
Miyaura, N.; Suzuki, A. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1979, 866. Miyaura, N.; Yamada, K.; Suzuki, A. Tetrahedron Lett. 1979, 3437 Miyaura, N.; Yanagi, T.; Suzuki, A. Synth. Commun. 1981, 11, 513
Tamao, K.; Kiso, Y.; Sumitani, K.; Kumada, M. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 9268 Tamao, K.; Sumitani, K.; Kumada, M. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 4374
Suzuki Coupling:
正1价
正3价
碳-杂原子键的氧化加成 烷基卤代物与低价金属的氧化加成
R X M R MX
卤代烯烃与低价金属的氧化加成
X R1 R2 R3 X PtL3 L Pt L R1 R
3
X L Pt L R1 R2 R3
R2
卤代芳烃与过渡金属的氧化加成
X PdLn LnPd+ X 决速步 (m = n-1 or 2 ....) R R PdLmX
R
O B
R R'
Suzuki反应的机理
R' Reductive elimination
R LnPd(0)
Oxidative Addition R X R LnPd R X MOR''
LnPd
R R MX
R"O B
LnPd
OR"
R' B
有机硼化合物的合成
R + O B H O
M (Li or Mg) R MX