钯催化的碳—碳偶联反应研究简介

钯催化的碳—碳偶联反应研究简介

在有机化学中，C-C键的形成是有机合成研究的重要内容，而过渡金属钯催化的偶联反应则是形成C-C键的一种有效手段。目前钯催化的偶联反应已在科研、医药生产等领域得到广泛应用。偶联反应的种类较多，文章主要内容是简单介绍过渡金属钯在以下几种碳碳偶联反应以及合成中的应用。

标签：钯催化；碳-碳键；偶联反应

前言

与一般催化剂相同，过渡金属催化的有机反应也只是改变了化学反应的速度，降低了反应的活化能，使原来难于发生的反应变得容易进行。

过渡金属催化的有机反应常常具有很高的选择性，这种选择性决定了其在未来的偶联反应中具有更广阔的发展空间，概括其选择性主要有以下几点：包括化学选择性、区域选择性和立体选择性。文章以下便针对常用的几种偶联反应进行简要分析。

1 常用偶联反应简介

1.1 Stille偶联反应

Stille偶联反应是有机锡化合物和不含β-氢的卤代烃（或三氟甲磺酸酯）在钯催化下发生的交叉偶联反应。其机理最初就是由Stille根据转金属复合物的决速步骤而提出的四步循环机理。

四（三苯基膦）合钯（0）是最常用的钯催化剂。对于Stille交叉偶联反应还有一个有趣的现象就是添加物对这个反应有很大的影响，尤其是铜的添加物，对反应起着很大的作用，在反应过程中Cu与反应媒介生成了更加活泼的铜媒介，使得反应更易发生。

1.2 Negishi偶联反应

Negishi交叉偶联反应有机锌试剂与卤代烃在钯配合物的催化下发生偶联反应，生成新的碳-碳键。最早的报道见于1977年，这个反应可以进行Csp3-Csp2，也可以进行Csp3-Csp3之间进行的碳-碳键偶联。

反应整体上经过了卤代烃对金属的氧化加成、金属转移与还原消除这三步。这个反应的卤代物的活性顺序为Zn>Mg>>Li。对于锌试剂在温和条件下就能发生反应。与格式试剂相比，锌试剂在官能团容忍度上更胜一筹。用含钯催化剂时，通常产率较高，对官能团的耐受性也比较好。

1.3 Suzuki反应

Suzuki反应是在钯配合物催化下，有机硼化合物和有机卤素化合物发生的偶联反应，一般需要碱作催化剂。该反应用途相对较广，相对比其他偶联反应，其官能团耐受性以及底物适应性较强，在联苯衍生物、多烯烃等有机合成反应中发挥了巨大优势，因此在有机合成材料生产中得到了认可。并且随着实践经验的总结，其催化剂也得到了发展，目前膦配体催化剂是目前催化火星相对较大且具有经济性的催化剂，实现氯代芳烃在偶联反应中的应用。另外技术人员逐步开发出无膦配体催化剂，从而使得偶联反应尤其是合成聚苯类功能材料过程中，聚合物结构不会因为副反应而出现不规整现象。除此之外，负载于载体上的复合催化剂的制备与重复利用有效地降低了较昂贵的钯的使用成本。

1.4 Heck偶联反应

Heck反应近四十年来已经逐渐发展成为一种应用日益广泛的有机合成方法，是在碱性条件下钯催化的芳基或乙烯基卤代物和活性烯烃之间的偶联反应。

原料卤代烃或三氟甲磺酸酯中的取代基可以是芳基、苄基或乙烯基，烯烃的双键碳必须连有氢，且通常为缺电子烯烃。一般情况下，取代基越大，数目越多，反应速度越小，收率越低。

Heck反应的催化体系主要有以下几种催化体系：钯催化体系、铑催化体系、钌催化体系、镍催化体系。目前Heck反应的应用在有机全合成中有着极其广泛的应用。

1.5 Hiyama偶联反应

Hiyama偶联反应是钯或镍催化的芳基、烯基、烷基卤化物或拟卤（如三氟甲磺酸酯）与有机硅烷之间的交叉偶联反应。反应催化循环经过氧化加成、转金属、顺反异构化和还原消除几步，其中关键是用氟离子把有机硅中低极化的Si-R 键活化，以便进行金属交换。

和其他有机金属试剂相比，有机硅试剂有着其独特的性质。有机硅试剂比镁试剂和锌试剂稳定；有机锡化合物有着高毒性，而硅元素是一种对环境友好的元素，有机硅化合物最终氧化成无生物活性的硅胶，参与的反应副产物少且产物易于处理。此反应有诸多优点，包括高原子经济、对环境影响小、有机硅试剂容易储存、易于操作、低毒性、反应条件温和、产率和选择性高以及对其他官能团的耐受性较好等。例如：氯化镍、LiHMDS和去甲麻黄碱存在下，以氟化铯作氟离子源，仲卤代烃与有机硅之间的偶联：

这个反应的一个主要的缺点就是需要大量氟化物的参与。不过近年来更多的成就在于游离氟的应用。发展了各种温和条件下的试剂在有机硅下的交叉偶联但对硅保护基的不兼容性，有机硅的制备不易以及活化剂的昂贵，在一定程度上限制了此反应的应用。

1.6 Glaser偶联反应

Glaser于1869年首次以苯乙炔为原料，用铜盐（CuCl）作催化剂合成了1，3-二炔，这类反应被称为Glaser偶联反应。

一价铜盐为反应所必需，常见的是氯化亚铜、溴化亚铜和乙酸亚铜。氨是经典的所用碱，用于夺取炔的酸性C-H质子。溶剂可以是水或乙醇。反应经双核的、含桥连的炔配体的铜络合物中间体。氧气用于铜催化剂的重新氧化。

通过对Glaser偶联反应的研究，拓展了三类新的偶联反应。（1）Hay偶联反应，用TMEDA作碱，增加在有机溶剂中的溶解性，从而拓展溶剂种类。（2）Eglinton偶联反应：用铜（II）盐而非铜（I）盐，如乙酸铜。且铜盐定量，非催化量；故不再需用氧气重新氧化。碱多用吡啶或其他含氮有机碱。（3）Cadiot-Chodkiewicz偶联反应：可用于不同炔的偶联，合成非对称双炔，不同于格拉泽偶联只对相同炔类适用。

该反应对底物敏感，炔上连有苯基及羟烷基可促进偶联反应的进行。例如：顺-1，4-二乙炔基-1，4-二甲氧基-2，5-环己二烯与自身和N-溴代琥珀酰亚胺、硝酸银作用得到的二溴化物，在甲醇中以及哌啶、盐酸羟胺和溴化亚铜存在下进行偶联，得到多个对称的大环多炔产物。

1.7 Kumada偶联反应

Kumada交叉偶联反应是烷基或芳基格氏试剂与芳卤或乙烯基卤在镍或钯催化下的交叉偶联反应，反应产物为苯乙烯衍生物。1972年，Kumada等报道了格氏试剂（苯基溴化镁）与芳卤或乙烯基卤在镍催化剂NiCl2（dppe）2作用之下交叉偶联为苯乙烯的反应。

这类反应的缺点主要是格式试剂对水和空气敏感，且极易与许多其他活泼功能基团发生反应。

Kumada偶联反应的优点在于格式试剂的直接应用。与Negishi Coupling反应比较，其减少了从起始金属转变成Zn复合物的额外反应步骤。对于Ni催化的Kumada偶联反应也有一些缺点及不足之处，例如：格式试剂对于水的不稳定性，官能团容忍性很低，而且对于vinyl mono-halides型的试剂有一定得区域选择性，但是对于芳基试剂区域选择性则很差。对于Pd催化的Kumada偶联反应区域选择性就有极大的提高。

2 结束语

通过上述分析可以看出，在催化反应条件上过渡金属催化的碳碳、碳氮键偶联反应相对较为温和，并且其能够应用在多种反应中，且反应产物容易获取分离。另外其能够有效兼容底物，具有较高的产率，因此在有机化学领域中得到了认可，