偶联反应课件

Suzuki-Miyaura交叉偶联反应

机理及其在有机合成中的应用

学 院： 化学学院

专 业： 有机化学

学 号：

姓 名：

一、Suzuki-Miyaura 交叉偶联反应概念

Suzuki反应（铃木反应），也称作Suzuki偶联反应、Suzuki-Miyaura反应（铃木－宫浦反应），是一个较新的有机偶联反应，是在钯配合物催化下，芳基或烯基的硼酸或硼酸酯与氯、溴、碘代芳烃或烯烃发生交叉偶联。

Z=Cl,Br,I

自从1981年Suzuki等报道了通过钯催化的有机硼化学物和卤代烃可以在很温和的条件下发生偶联反应制备不对称联芳烃以后，为芳-芳键的形成展开了一个新的领域[1]。Suzuki-Miyaura交叉偶联反应被证明是目前制备联芳基及其衍生物最为广泛利用的方法，因为其具有很强的底物适应性及官能团耐受性，常用于合成多烯烃、苯乙烯和联苯的衍生物，从而应用于众多天然产物、有机材料的合成中。铃木章也凭借此贡献与理查德·赫克、根岸英一共同获得2010年诺贝尔化学奖。

二、Suzuki-Miyaura交叉偶联反应机理

Suzuki-Miyaura交叉偶联的反应机理通常是一个普通的催化循环过程。这个过程主要包括三个步骤：

（1）氧化加成(oxidative addition)

（2）转移金属化(transmetalation)

（3）还原消除(reductive elimination)

Ar-Pd-Ar1Ar-ArPd(0)ArXArPdXArPdOHNaOHNaXB(OH)4ArB-(OH)3NaOHArB(OH)2氧化加成还原消除转移金属化 ZB(OH)2BrZ+3% Pd(PPh3)4Benzene, Na2CO3/H2O首先，卤代芳烃与Pd(0)氧化加成后，与1mol的碱生成有机钯氢氧化物中间物种，取代了键极性较弱的钯卤键，这种含有强极性的Pd-OH的中间体具有非常强的亲电性；同时另1mol的碱与芳基硼酸生成四价硼酸盐中间物种，具有非常强的富电性，有利于向Pd金属中心迁移。利用这两方面的协同作用从而形成有机钯配合物Ar-Pd-Ar’，再经历还原消除生成芳基偶联的产物。实际上，此反应机理与Heck反应的机理相似，只是键的作用有所不同而已。

偶联反应[编辑]

偶联反应，也写作偶合反应或耦联反应，是两个化学实体（或单位）结合生成一个分子的有机化学反应。狭义的偶联反应是涉及有机金属催化剂的碳-碳键形成反应，根据类型的不同，又可分为交叉偶联和自身偶联反应。 在偶联反应中有一类重要的反应，RM（R = 有机片段, M = 主基团中心）与R'X的有机卤素化合物反应，形成具有新碳-碳键的产物R-R'。[1] 由于在偶联反应的突出贡献，根岸英一、铃木章与理查德·赫克共同被授予了2010年度诺贝尔化学奖。 [2]

偶联反应大体可分为两种类型：

• 交叉偶联反应：两种不同的片段连接成一个分子，如：溴苯 (PhBr)与氯乙烯形成苯乙烯(PhCH=CH2)。

• 自身偶联反应：相同的两个片段形成一个分子，如：碘苯 (PhI)自身形成 联苯 (Ph-Ph)。

反应机理[编辑]

偶联反应的反应机理通常起始于有机卤代烃和催化剂的氧化加成。第二步则是另一分子与其发生金属交换，即将两个待偶联的分子接于同一金属中心上。最后一步是还原消除，即两个待偶联的分子结合在一起形成新分子并再生催化剂。不饱和的有机基团通常易于发生偶联，这是由于它们在加合一步速度更快。中间体通常不倾向发生β-氢消除反应。[3]

在一项计算化学研究中表明，不饱和有机基团更易于在金属中心上发生偶联反应。[4]还原消除的速率高低如下：

乙烯基－乙烯基 > 苯基－苯基 > 炔基－炔基 > 烷基－烷基

不对称的R-R′形式偶联反应，其活化能垒与反应能量与相应的对称偶联反应R-R与R′-R′的平均值相近，如：乙烯基－乙烯基 > 乙烯基－烷基 > 烷基－烷基。

另一种假说认为，在水溶液当中的偶联反应其实是通过自由基机理进行，而不是金属－参与机理。[5]

§催化剂[编辑]

偶联反应中最常用的金属催化剂是钯催化剂，有时也使用镍与铜催化剂。钯催化剂当中常用的如：四(三苯基膦)钯等。钯催化的有机反应有许多优点，如：官能团的耐受性强，有机钯化合物对于水和空气的低敏感性。 如下一些关于钴催化的偶联反应的综述[6]，钯[7][8][9][10][11]和镍[12]介导的反应以及它们的应用[13][14]。

反应名称 发现年代 反应物A 反应物B 类型 催化剂 备注

武兹反应（Wurtz

reaction） 1855 R-X sp³ R-X sp³ 自身 以Na消除反应物的卤原子

格拉泽偶联反应（Glaser coupling） 1869 RC≡CH sp RC≡CH sp 自身 Cu 氧气作为H受体

乌尔曼反应（Ullmann

reaction） 1901 Ar-X sp² Ar-X sp² 自身 Cu 高温

冈伯格-巴克曼反应 1924 Ar-H sp² Ar-N2X sp² 自身 需碱参与

Cadiot-Chodkiewicz偶联反应 1957 RC≡CH sp RC≡CX sp 交叉 Cu 需碱参与

Castro-Stephens偶联反应 1963 RC≡CH sp Ar-X sp² 交叉 Cu

吉尔曼试剂偶联反应（Gilman reagent

coupling） 1967 R2CuLi R-X 交叉

Cassar反应 1970 烯烃 sp² R-X sp³ 交叉 Pd 需碱参与

熊田偶联反应（Kumada coupling） 1972 Ar-MgBr sp²,

sp³ Ar-X sp² 交叉 Pd

or Ni

赫克反应（Heck

reaction） 1972 烯烃 sp² R-X sp² 交叉 Pd 需碱参与

薗头偶联反应（Sonogashira

coupling） 1975 RC≡CH sp R-X sp³

sp² 交叉 Pd

and

Cu 需碱参与

根岸偶联反应（Negishi coupling） 1977 R-Zn-X sp³,

sp²,

sp R-X sp³

sp² 交叉 Pd

or

Ni

施蒂勒反应（Stille

coupling） 1978 R-SnR3 sp³,

sp²,

sp R-X sp³

sp² 交叉 Pd

铃木反应（Suzuki

reaction） 1979 R-B(OR)2 sp² R-X sp³

Kumada偶联反应

Kumada（交叉）偶联反应（熊田偶联；Kumada coupling），又称Kumada-Corriu（交叉）偶联反应，熊田-玉尾-Corriu偶联反应(Kumada-Tamao-Corriu Cross Coupling)。是指烷基或芳基格氏试剂与芳卤或乙烯基卤，芳基三氟甲磺酸酯等等在镍或钯催化下的交叉偶联反应。

计量格氏试剂发生的自偶联反应很早就已报道。关于格氏试剂与卤代烃之间偶联反应的研究最早是在1971年，当时Tamura和Kochi发展了用银、铜、和铁催化剂催化的交叉偶联反应。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(dppp)2作用之下交叉偶联为苯乙烯的反应。同年，Corriu等发现苯基溴化镁与β-溴苯乙烯在乙醚溶剂中和另一镍催化剂乙酰丙酮合镍(II)催化之下，可得反-二苯乙烯。此后，1975年Murahashi等将此反应拓展至钯催化。[1]

Kumada偶联是生成sp2碳-碳键的反应，就是所谓的”交叉偶联”反应的先驱，此反应在实用和学术双方面都是一个重要的里程碑。操作简单，而且该反应使用廉价镍，实用性也很高。另一方面，相对于使用钯催化剂，镍的反应性更温和，而且化学选择性也更好。但是此反应的缺点是不能应用于含有能与格式试剂反应的官能团的底物上。利用锌以及其转移金属化后的相对低反应活性的有机锌试剂(根岸交叉偶联)，或者用Fe(III)催化剂(Kochi-Fustner交叉偶联)替代Ni・Pd，有时可以解决上述问题。[2]

反应有如下特点：一、在镍催化进程中，催化活性与膦配体的性质有关，如Ni(dppp)Cl2> Ni(dppe)Cl2>

Ni(PR3)2Cl2 ~Ni(dppb)Cl2；二、烷基(sp3)格氏即使含有β氢也会进行倾向于交叉偶联而不是发生β消除；三、仲烷基格氏试剂会重排为对应的伯烷基格氏试剂，然而重排与否和膦配体的碱性和卤代芳烃的性质有关；四、dppf可以有效的减慢β消除，另外可以加速还原消除过程，从而使仲烷基格氏试剂进行偶联而不是发生重排；五、氯代芳烃甚至氟代芳烃都可以进行镍催化的交叉偶联；六、偶联具有立体选择性，发生反应的乙烯基卤代烃构型保持；七、钯催化的反应有更好的立体和化学选择性，可以和更多的碳负离子反应，如有机锂试剂，但是氯代芳烃不能发生反应，溴代和碘代芳烃可以；八、常用的是格氏试剂和有机锂试剂，另外，有机钠试剂，有机铜锂试剂，有机铝，有机锌，有机锡，有机锆和有机硼试剂都可以发生偶联；九、不能应用于含有能与格式试剂或有机锂反应的官能团的底物上[4]。