钯催化的交叉偶联反应——2010年诺贝尔化学奖简介
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2010年诺贝尔化学奖简介及在命题中的应用
2010年诺贝尔化学奖简介及在命题中的应用科学前沿在劳力上劳心，是一切发明之母.事事在劳力上劳心，变可得事物之真理.陶行知福建江合佩2010年10月6日，瑞典皇家科学院授予美国科学家理查德F赫克、日本科学家根岸英一和铃木章2010年度诺贝尔化学奖，表彰他们在有机物合成过程中钯催化交叉偶联取得的巨大成就.化学奖评审委员会说，三人的研究成果向化学家们提供精致工具，大大提升合成复杂化学物质的可能性.1972年赫克率先发现借助钯催化，不用高温和高压，碳原子间可以相互接近至可以发生反应的距离,1977年根岸英一和1979年铃木章分别对这一理论作出补充，把研究范围扩大到更多有机分子，三位科学家创制了迄今所能使用的最复杂工具之一.碳原子化学性质不活泼，不愿相互结合.怎么让这些懒洋洋的碳原子活跃起来，好将它们凑作一堆?一百多年前人们已经想到办法，法国科学家格林尼亚发明了一种试剂，利用镁原子强行塞给碳原子2个电子，使碳原子变得活跃.但这样的方法在合成复杂大分子的时候有很大局限，人们不能控制活跃的碳原子的行为，反应会产生一些无用的副产物.在制造大分子的过程中，副产物生成得非常多，反应效率低下.赫克、根岸英一和铃木章通过实验发现，用钯作为催化剂可以解决这个问题.钯原子就像媒人一样，把不同的碳原子吸引到自己身边，使碳原子之间的距离变得很近，容易结合也就是偶联，而钯原子本身不参与结合.这样的反应不需要把碳原子激活到很活跃的程度，副产物比较少，更加精确而高效.这一技术让化学家们能够精确有效地制造他们需要的复杂化合物.目前钯催化交叉偶联反应技术已在全球的科研、医药生产和电子工业等领域得到广泛应用.作为一个发展中的大国，我们必须清醒地认识到:21世纪国与国之间的竞争说到底还是人才之间的竞争，而对于一个国家来说创新人才的培养至关重要.因此应该好好抓住诺贝尔化学奖这个非常好的教学资源，帮助学生拓宽视野，开阔思路，激发学生的创造愿望，培养学生的创新能力.基于此，设计了如下几。
钯催化的交叉偶联反应——2010诺贝尔化学奖简介
产治疗高血压 、 肾脏病等方 面的药 物 。 １本 医药 公司用 ３
铃木 反应生产 的 降压 药 ．０ ９年在 １本 国 内就有 １０ ２０ ３ ４０
亿 １ （ １０ ３ 约 ２ 亿人 民币 ） 元 的销售额。电子领域也开始瞩
目“ 钯催 化的交叉偶 联反应 ” 相关成 果不 断被推 出 ， ， 手
２１年 １ ００ ０月 ６１瑞典 皇家科学 院诺 贝尔颁奖委员 ３ 会把今 年 的诺贝尔化学 奖授予 美 国科学家 ７ ９岁的理 查 德一 赫克 （ ｉ ａ ｅｋ 、 Ｒｃ ｒ Ｈ ｃ ） １ ｈｄ ３本科学 家 ７ ５岁 的根岸英 一 （ ｉｉｈ Ｅ—ｃｉ ｅｉ ｉ Ｎ ｇ ｈ）和 １本科学家 ８ 的铃木 章（ ｋｒ ｓ ３ ０岁 Ａ ｉ ａ
铃木章 。 本公 民。９ ０ 出生于 １本北海道 。９ ９ ３ １ １３ 年 ３ １５ 年在北 海道大学获得博士学位 。１６ ９ ３年一 ９ ５ ， １６ 年 铃木 章在美 国普渡大学赫伯特 ・ 布朗教授指导下完成 博士后
研究 。 ９ ３ １７ 年起在北海道大学任教授。１７ 年 ， 明“ ９９ 发 铃 木反应” 。铃木教授 的论文数量不多 。 且大都 以 １文的形 ３ 式发表在 了 １本 的学术 刊物 上。但 是 ． ３ 他的研究非 常严 密 ， 出来的结果经得起反 复推 敲。为 了证实 自己的研 做 究结果具有可重复性 ． 铃木教授不 惜购买全套 的新实验
尔化学奖的赫伯特 ・ 布朗（ ｒｅ ｒｗ ） ９ ７ ， Ｈｅ ｒＢ ｏ ｎ 。１７ 年 发明 ｂｔ “ 根岸反应” 。根岸现为美 国普 渡大学化学教授。当根岸 教授在大教 室照常讲授他 的课程 “ 有机化合物 的性质 ”
一
者， 真可谓名师出高徒。
二、 有机合成 中的钯催化交叉偶联反应
有机合成钯催化交叉偶联反应
有机合成中钯的催化交叉偶联反应20102401046吴健华摘要：2010年诺贝尔化学奖授予给美国化学家理查德·赫克、日本化学家根岸英一和铃木章，以表彰其发现的钯催化交叉偶联反应，更有效的连接碳原子以构建复杂分子。
钯催化交叉偶联反应，用于碳碳键形成的重要化学反应，因其反应条件温和，化学选择性高，副产品少，在有机合成领域中应用广泛。
本文综合概述了钯催化交叉偶联反应机理与发展，并对其应用领域及发展前景作简单介绍。
关键词：钯催化；交叉偶联反应；反应机理；碳碳键；有机合成；引言:碳是构成生命体的重要组成物质，而这些物质是以C-C单键或双键为基础，形成各种形式的碳胳化合物，组成生命体的各个部分。
而经过多年来的探究与改进，美国化学家理查德·赫克、日本化学家根岸英一及铃木章在有机合成中取得重大贡献与研究进展，发现钯催化交叉偶联反应，有效地连接碳原子，为构造更复杂的分子提供反应方法。
因此于2010年，诺贝尔化学奖颁发给他们三位在有机合成中杰出并取得重大贡献的有机化学家，以表彰他们在有机合成领域中所取得的卓越成就。
钯催化交叉偶联反应，作为五个被授予诺贝尔化学奖反应之一，其重要性则不言而喻。
前四个反应分别是Grignard反应(格氏反应，1912年)，Diels-Alder反应(迪尔斯-阿尔德反应，1950年)，Wittig反应(叶立德、维蒂斯反应，1979年)和Olefinmetathesis反应(烯烃的转位反应，2005年)。
在钯催化的交叉偶联反应中，反应步骤缩短，所需条件温和，副产品少，且可使大量的官能团在进程中得以保留而不被破坏，是一种可靠、实用的工具，广泛应用于精细化学及制药工业中, 对有机合成具有长久和深远的影响力,得到合成化学者的普遍应用。
一、钯催化交叉偶联反应机理与发展1.格氏试剂——拉开钯催化交叉偶联反应的序幕有机合成化学所构造出来的物质大部分都是以碳胳为骨架所构建起来的，然而碳原子本身十分稳定，在化学反应中并不活泼。
2010化学诺贝尔
2010年诺贝尔化学奖瑞典皇家科学院宣布，美国科学家理查德·赫克、日本科学家根岸英一和铃木章共同获得2010年诺贝尔化学奖。
化学奖评审委员会说，三人研究成果向化学家们提供“精致工具”。
钯催化交叉偶联反应在瑞典皇家科学院举行的新闻发布会上，瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克首先宣读了获奖者名单。
他说，赫克、根岸英一和铃木章在“钯催化交叉偶联反应”研究领域作出了杰出贡献，其研究成果使人类能有效合成复杂有机物。
随后，诺贝尔化学奖评选委员会主席特兰德和评委拜克瓦尔介绍了3名获奖者的主要研究成果。
他们说，为制造复杂的有机材料，需要通过化学反应将碳原子集合在一起。
但是碳原子本身非常稳定，不易发生化学反应。
解决该问题的一个思路是通过某些方法让碳的化学性质更加活泼，更容易发生反应。
这类方法能有效地制造出很多简单有机物，但当化学家们试图合成更为复杂的有机物时，往往有大量无用的物质生成，而赫克、根岸英一和铃木章的研究成果解决了这一难题。
向化学家提供精致工具两位评委介绍说，赫克、根岸英一和铃木章通过实验发现，碳原子会和钯原子连接在一起，进行一系列化学反应。
这一技术让化学家们能够精确有效地制造他们需要的复杂化合物。
目前“钯催化交叉偶联反应”技术已在全球的科研、医药生产和电子工业等领域得到广泛应用。
评审委员会认定，三人的研究成果向化学家们提供“精致工具”，大大提升合成复杂化学物质的可能性。
评审委员介绍，赫克1972年率先发现，借助钯催化，不用高温和高压，碳原子间可以相互接近至可以发生反应的距离；根岸1977年和铃木1979年对这一理论作出补充，把研究范围扩大到更多有机分子。
评审委员会认定，三位科学家创制了“迄今所能使用的最复杂工具之一”。
解读今年的诺贝尔化学奖表彰的是一种有机合成技术的发现，由于这牵涉到较高层次的化学知识，不是那么大众化的，即使学过大学的基础有机化学也不见得能理解其影响，因此会有一些人问道，这真是那么重要的技术而值得拿诺贝尔奖吗？答案是，真的极为重要，而且这个奖给得其实晚了点。
2010诺贝尔化学奖简介
2010诺贝尔化学奖：“焊接”碳原子的艺术根岸英一、铃木章和理查德•海克像拼接玩具那样拼接碳原子75岁的根岸英一(Ei-ichi Negishi)、79岁的理查德•海克(Richard F. Heck)和80岁的铃木章(Akira Suzuki)。
他们在“钯催化交叉偶联有机合成反应”方面做出了创造性的贡献。
该研究成果已广泛应用于制药和电子元件制造领域。
美国特拉华大学退休教授理查德•海克是美国公民；在美国普渡大学任教的根岸英一和已从日本北海道大学退休的铃木章都是日本公民。
算上这两位新科获奖者，过去十年中已有9位日本籍科学家荣获诺贝尔奖，其中绝大部分是在日本本土完成获奖研究。
“曾经在这个领域耕耘并仍然健在的科学家中，这三位获得诺贝尔奖是众望所归的。
”北京大学教授施章杰对本刊记者说，“另外还有一些科学家也做出了杰出贡献，如熊田诚(Makoto Kumada)，遗憾的是他已经逝世。
”“这项研究成果最大的意义在于，只要涉及有机化学中含有苯环或双键化合物的合成，就可以使用这个方法，所以其适用范围非常广泛。
”湖南大学教授谭泽告诉本刊记者。
谭泽于1996年至2002年间在普渡大学攻读博士，导师正是根岸英一。
此后，他又以博士后的身份在根岸英一的团队里工作了四年。
施章杰也解释说，任何一个涉及有机合成的领域，必然会遇到碳原子相互连接问题。
要想制造出更多种类、具有更多功能的有机物，必须寻求更加方便、高效的碳碳构建新方法。
但这种偶联反应的原料本身都比较稳定，要想使之发生反应，连在一起形成碳碳单键是相当困难的。
施章杰说：“这就好比爬珠穆朗玛峰，显然珠峰之高超过一般人的体力范围，你要么打个隧道过去，要么有什么东西把珠峰变成几个类似香山的小山峰—在偶联反应中，钯催化剂恰好能做到后者。
”1972年，熊田诚在这方面的研究已经有所突破。
之后几年中，前述三位获奖者相继发表论文，报告了他们的突破性进展。
而他们也都有一个以各自名字命名的化学反应。
2010诺贝尔化学奖
Suzuki偶联的应用
1. 在整个Suzuki-coupling反应循环中，Pd(0)与卤代芳烃发生氧化加成反应生成Pd(II) 的络合物这一步被认为是起决定作用的步骤。底物 卤代芳烃中离去集团的相对活性有如下特征：I > TfO > Br >> Cl 2. 芳基和烯基上若带有基团，则吸电子基团对氧化-加成的促进作 用要比给电子基团强。在Pd(II)的络合物的还原-消除得到偶联产品的步 骤中，相对的速率为：aryl–aryl > alkyl–aryl > n-propyl–n-propyl > ethyl–ethyl > methyl–methyl 3. 应用于Suzuki反应的催化剂最经典的是Pd(PPh3)4，其它的有 PdCl2、PdCl2(dppf)、Pd(OAc)2、Pd(PPh3)2Cl2和NiCl2(dppf)等等，它 们分别具有一些如后处理容易、空气敏感度低等的特点，在具体的反应 上有成熟的应用。有些反应还需要另外一些高催化活性的配体的参与， 它们具有的共性就是电负性较强和空间位阻大。这是因为电负性较强的 配体是有利于氧化加成反应；空间位阻大的配体有利于还原消除。开发 高效价廉的新催化剂和配体是一个研究的方向。
Nationality Fields
Institutions
Hokkaidō University,Purdue University Okayama University of Science Kurashiki University of Science and the Arts
Hokkaidō University Suzuki reaction Herbert Charles Brown
贡献：
钯催化的交叉偶联反应——2010年诺贝尔化学奖简介
钯催化的交叉偶联反应——2010年诺贝尔化学奖简介1. 概述2010年，日本化学家中岛昌也和美国化学家赫克托·范多斯特尔因在有机合成领域做出的杰出贡献而获得诺贝尔化学奖。
其中岛昌也和范多斯特尔的研究成果涉及钯催化的交叉偶联反应，这一研究成果对有机合成领域产生了深远的影响。
2. 钯催化的交叉偶联反应的重要性钯催化的交叉偶联反应是一种重要的有机合成方法，它可以有效地将两种不同的有机物分子通过碳-碳键的形成连接在一起。
这种方法具有较高的选择性和效率，被广泛地应用于药物合成、农药合成、化学品合成等领域，对有机化学研究和工业生产具有重要意义。
3. 钯催化的交叉偶联反应的突破在20世纪70年代以前，有机合成领域的研究主要依赖于传统的化学方法，但这些方法往往需要使用大量的试剂和产生大量的副产物，效率较低。
钯催化的交叉偶联反应的突破，使得有机合成的效率大大提高，同时减少了有机化合物的废弃物产生。
4. 钯催化的交叉偶联反应的原理钯催化的交叉偶联反应的原理主要是在钯催化剂作用下，通过活化有机物中的卤素原子，使其与另一种有机物中的碱性碳原子发生键合。
其中岛昌也和范多斯特尔通过在反应条件、催化剂设计等方面的深入研究，使得钯催化的交叉偶联反应可以适用于更多的有机物种，提高了反应的广泛性和适用性。
5. 钯催化的交叉偶联反应的应用钯催化的交叉偶联反应在有机合成、药物合成、材料科学等领域都有广泛的应用。
通过该方法，可以高效合成复杂的有机分子，提高有机合成的效率和选择性，为新药物的研发提供了重要的手段和技术支持。
6. 结语钯催化的交叉偶联反应因其在有机合成领域的重要性和广泛的应用价值，成为2010年诺贝尔化学奖的得主。
有机合成领域的研究者们在钯催化的交叉偶联反应的基础上，不断拓展和深化研究，为有机合成的发展和创新做出了重要贡献。
该方法的突破性和影响力将继续推动有机合成领域的发展，并为人类社会的繁荣和进步做出更多贡献。
钯催化的交叉偶联反应的重要性不仅在于其高效、高选择性的特点，还在于其对环境的友好性。
钯催化交叉偶联反应
钯催化交叉偶联反应钯催化交叉偶联反应2010-10-26 17：32钯催化交叉偶联反应摘要钯催化交叉偶联反应是一类用于碳碳键形成的重要反应，在有机合成中应用十分广泛。
钯催化交叉偶联反应-简介为制造复杂的有机材料，需要通过化学反应将碳原子集合在一起。
但是碳原子在有机分子中与相邻原子之间的化学键往往非常稳定，不易与其他分子发生化学反应。
以往的方法虽然能令碳原子更加活跃，但是，过于活跃的碳原子却又会产生大量副产物。
而用钯作为催化剂则可以解决这个问题。
钯原子就像"媒人"一样，把不同的碳原子吸引到自己身边，使碳原子之间的距离变得很近，容易结合--也就是"偶联"。
这样的反应不需要把碳原子激活到很活跃的程度，副产物比较少，因此更加精确而高效。
赫克、根岸英一和铃木章通过实验发现，碳原子会和钯原子连接在一起，进行一系列化学反应。
这一技术让化学家们能够精确有效地制出他们需要的复杂化合物。
钯催化交叉偶联反应-应用如今，"钯催化交叉偶联反应"被应用于许多物质的合成研究和工业化生产。
例如合成抗癌药物紫杉醇和抗炎症药物萘普生，以及有机分子中一个体格特别巨大的成员--水螅毒素。
科学家还尝试用这些方法改造一种抗生素--万古霉素的分子，用来灭有超强抗药性的细菌。
此外，利用这些方法合成的一些有机材料能够发光，可用于制造只有几毫米厚、像塑料薄膜一样的显示器。
科学界一些人士表示，依托"钯催化交叉偶联反应"，一大批新药和工业新材料应运而生，这三名科学家的科研成果如今已经成为支撑制药、材料化学等现代工业文明的巨大力量。
钯催化交叉偶联反应-诺贝尔奖2010年10月6日在瑞典皇家科学院举行的新闻发布会上，瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克首先宣读了获奖者名单。
他说，赫克、根岸英一和铃木章在"钯催化交叉偶联反应"研究领域作出了杰出贡献，其研究成果使人类能有效合成复杂有机物。
2010年度诺贝尔化学奖
2010年诺贝尔化学奖
获奖理由：“有机合成中钯催化交叉偶联”研究
学术贡献
• 他们在“钯催化交叉偶联反应”研究领域作出了杰出贡献， 其研究成果使人类能有效合成复杂有机物。
• 为制造复杂的有机材料，需要通过化学反应将碳原子集合 在一起，但碳原子非常稳定，不易发生化学反应，采用钯 催化解决该问题的一个思路是使碳活化。
Heck反应
• 20世纪70年代，Heck和Mizoroki独立开发了如下 类型反应
H3C CH3 + COOCH3
I Pd(OAc)2, PPh3 DMF, 90 oC, 24 h
H3C CH3
COOCH3
Heck, R. F. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 5518 Heck, R. F.; Nolley, J. P.Jr J. Org. Chem. 1972, 37, 2320. Mizoroki, T.; Mori, K.; Ozaki, A. Bull. Chem. Soc. 1971, 44, 581.
Ei-ichi Negishi (根岸荣一 )
总引： 14300；他引：7349；H因子：61
• 日本人，1935年出生于中国长春 (75岁) • 1958年从东京大学毕业后进入帝人公司 • 1963年在美国宾夕法尼亚大学获得博士学位 • 现任美国普渡大学教授
Akira Suzuki (铃木章)
ZnCl
+ I
OMe
Cl2Pd(PPh3)2/(i-Bu)2AlH (1:2) 85%
OMe
R X + R' ZnX
Pd Cat.
X = Cl, Br, I, OSO2CF3
R R' + ZnX2
获奖理由：“有机合成中钯催化交叉偶联”研究
学术贡献
• 他们在“钯催化交叉偶联反应”研究领域作出了杰出贡献， 其研究成果使人类能有效合成复杂有机物。
• 为制造复杂的有机材料，需要通过化学反应将碳原子集合 在一起，但碳原子非常稳定，不易发生化学反应，采用钯 催化解决该问题的一个思路是使碳活化。
Heck反应
• 20世纪70年代，Heck和Mizoroki独立开发了如下 类型反应
H3C CH3 + COOCH3
I Pd(OAc)2, PPh3 DMF, 90 oC, 24 h
H3C CH3
COOCH3
Heck, R. F. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 5518 Heck, R. F.; Nolley, J. P.Jr J. Org. Chem. 1972, 37, 2320. Mizoroki, T.; Mori, K.; Ozaki, A. Bull. Chem. Soc. 1971, 44, 581.
Ei-ichi Negishi (根岸荣一 )
总引： 14300；他引：7349；H因子：61
• 日本人，1935年出生于中国长春 (75岁) • 1958年从东京大学毕业后进入帝人公司 • 1963年在美国宾夕法尼亚大学获得博士学位 • 现任美国普渡大学教授
Akira Suzuki (铃木章)
ZnCl
+ I
OMe
Cl2Pd(PPh3)2/(i-Bu)2AlH (1:2) 85%
OMe
R X + R' ZnX
Pd Cat.
X = Cl, Br, I, OSO2CF3
R R' + ZnX2
2010年诺贝尔化学奖钯金属偶联催化
2007年Willemsens等以2( mol)%的Pa(PPh3)4作催化剂,在THF中成功地完 成了Negishi偶联产物千克级别的工业化生产，偶联粗产品的收率达到 80% ~90%，经纯化以65% ~70%收率得到纯度>95%的产品。
反应局限性
Negishi 偶联反应对于氯代化合物的反应活性往往很低Negishi偶联反应常用的 催化剂仍然是钯催化剂,由于其价格较为昂贵,因此发展并完善更为廉价高效且具 有高转化效率的铁、钴等催化剂有待于更进一步探索与研究。
○ 【2】A. Suzuki, "Carbon-carbon bonding made easy","The Royal Society of Chemistry",2005 ○ 【3】R.F. Heck, Arylation, methylation, and carboxyalkylation of olefins by group VIII metal
福布莱特计划下领取奖学金,往宾夕法尼亚大学留学。 1963年获得博士学位,指导教授为 Allan R. Day。
Negishi反应
Pd催化有机锌与有机卤代物、三氟磺酸酯等之间发生的交叉 偶联反应,称为Negishi反应。
Negishi反应机理
Born
September 12, 1930, Miikawa, Hokkaido, Japan
抗肿廇药Discodermolide中的诺贝尔奖
Cross-coupling Reactions 钯金属催化的交叉偶联反应
钯催化下的 C-C单键生成的反应被广泛运用 于合称合成天然产物和生物活性物质的主要 分子结构， 还被运用于工业化生产结构新颖 的化合物和新药物。
反应局限性
Negishi 偶联反应对于氯代化合物的反应活性往往很低Negishi偶联反应常用的 催化剂仍然是钯催化剂,由于其价格较为昂贵,因此发展并完善更为廉价高效且具 有高转化效率的铁、钴等催化剂有待于更进一步探索与研究。
○ 【2】A. Suzuki, "Carbon-carbon bonding made easy","The Royal Society of Chemistry",2005 ○ 【3】R.F. Heck, Arylation, methylation, and carboxyalkylation of olefins by group VIII metal
福布莱特计划下领取奖学金,往宾夕法尼亚大学留学。 1963年获得博士学位,指导教授为 Allan R. Day。
Negishi反应
Pd催化有机锌与有机卤代物、三氟磺酸酯等之间发生的交叉 偶联反应,称为Negishi反应。
Negishi反应机理
Born
September 12, 1930, Miikawa, Hokkaido, Japan
抗肿廇药Discodermolide中的诺贝尔奖
Cross-coupling Reactions 钯金属催化的交叉偶联反应
钯催化下的 C-C单键生成的反应被广泛运用 于合称合成天然产物和生物活性物质的主要 分子结构， 还被运用于工业化生产结构新颖 的化合物和新药物。
1980--2010年诺贝尔化学奖
1980---2009年1980保罗·伯格 (PauI Berg) 美国人 (1926-- )沃尔特·吉尔伯特 (Walter Gilbert) 美国人（1932--）美国斯坦福大学医学中心的生物化学教授保罗·伯格是世界上第一位操纵基因重组DNA 分子的学者，并由于开创了这一对人类未来极有影响的新领域，而荣获一九八O年诺贝尔化学奖。
此后，吉尔伯特的研究兴趣就完全转到用化学方法决定DNA 上核苷酸的序列，以及利用遗传工程学来制造胰岛素。
经过几年的悉心研究，他终于研制成一种直接决定DNA核苷酸的方法。
吉尔伯特是采用直读法原理来进行的，故又称为化学降解法。
这种方法是先利用化学反应把DNA裁剪成一系列不同长度的核苷酸片断，使它们的一端是相同的，并标明有放射性同位素，然后测定各个片断的长度和另一端的最后一个核苷酸，这样就可弄清楚DNA分子的结构。
这种方法每次可以测定台一百至二百个核苷酸的DNA的顾序。
如果将测过的所有片段再拼接起来，就可知道整个DNA大分子的结构。
这种方法的发明，不仅可使科学家准确测定DNA分子的结构，通过这种结构的测定，还可间接推断蛋白质的一级结构，从而纠正以前某些蛋白质结构分析中的错误。
这一贡献的意义是怎么估价也不会过高的。
因此他赢得了一九八O年诺贝尔化学奖。
1981罗尔德·霍夫曼 (Roald Hofmann) 美籍波兰人（1937--）福井谦一 ( Kenichi Fukin) 日本人（1918--）霍夫曼正是由于在分子轨道理沦上的贡献，光荣地获得一九八一年诺贝尔化学奖。
他是当今年轻有为的科学家之一。
他获奖时只有四十四岁，而他提出这一著名理论时仅二十八岁。
日本京都大学的福井谦一教授和美国康奈尔大学的罗尔德·霍夫曼教授共同获得了一九八一年诺贝尔化学奖。
值得指出的是，这两位获奖者都是运用现代物理学的基石——量子力学来解释分子是如何形成的科学家。
negishi反应机理
negishi反应机理Negishi反应是一种重要的有机合成方法，广泛应用于药物合成、天然产物合成等领域。
本文将介绍Negishi反应的机理和应用。
Negishi反应是由日本化学家Negishi Ei-ichi于1977年首次报道的，他因此获得了2010年的诺贝尔化学奖。
该反应是一种钯催化的交叉偶联反应，通过将有机锌试剂与有机卤化物反应，生成新的碳碳键。
Negishi反应的机理可以分为四个步骤：配体交换、氧化加成、还原消除和还原消除。
在配体交换步骤中，钯催化剂与有机锌试剂发生配体交换，生成活性的钯配合物。
这个步骤是非常关键的，它使得有机锌试剂可以与钯形成稳定的配合物。
接下来，在氧化加成步骤中，有机锌试剂与有机卤化物发生反应，生成一个新的碳碳键。
这个步骤是通过钯催化剂的作用实现的，钯催化剂能够促进有机锌试剂与有机卤化物之间的反应。
然后，在还原消除步骤中，通过加入还原剂，钯催化剂被还原为钯金属，有机锌试剂和有机卤化物也被还原为相应的有机化合物。
这个步骤是为了循环使用钯催化剂和还原有机锌试剂。
在还原消除步骤中，通过加热或加入酸，将产生的有机金属化合物进行消除，生成最终的有机产物。
Negishi反应在有机合成中具有广泛的应用。
首先，它可以用于合成天然产物。
许多天然产物的结构中含有复杂的碳碳键，Negishi 反应可以通过构建这些键来合成这些复杂的结构。
Negishi反应还可以用于合成药物。
许多药物的结构中也含有复杂的碳碳键，Negishi反应可以用于构建这些键，从而合成药物。
Negishi反应还可以用于合成有机材料和功能性分子。
有机材料和功能性分子的合成通常需要构建复杂的有机结构，Negishi反应可以提供一种高效的方法。
Negishi反应是一种重要的有机合成方法，通过钯催化的交叉偶联反应，可以构建新的碳碳键。
它具有广泛的应用，可以用于合成天然产物、药物、有机材料和功能性分子等。
同时，了解Negishi反应的机理可以帮助我们更好地理解这个反应，并在实际应用中进行优化和改进。
suzuki 交叉偶联反应
Suzuki 交叉偶联反应简介Suzuki 交叉偶联反应是一种重要的有机合成方法，其可用于构建碳-碳键和碳-氮键。
该反应以钯催化剂为基础，通过将有机卤化物与有机硼试剂偶联，实现化学物质的合成。
Suzuki 交叉偶联反应具有高效、高选择性和广泛的适用性，因此在药物合成、材料科学和天然产物合成等领域得到了广泛的应用。
历史Suzuki 交叉偶联反应是由日本化学家铃木敏郎于1979年首次报道的，他因此获得了2010年的诺贝尔化学奖。
铃木敏郎的研究致力于发展新的合成方法，以便更有效地合成有机化合物。
他的发现为有机合成领域带来了一种简单且高效的方法，使得复杂分子的合成变得更加容易。
反应机理Suzuki 交叉偶联反应的反应机理相对简单，其基本步骤如下： 1. 钯催化剂与有机硼试剂形成络合物； 2. 钯催化剂与有机卤化物形成络合物； 3. 钯催化剂的活化使得有机卤化物发生还原，生成活性中间体； 4. 活性中间体与有机硼试剂发生反应，形成新的碳-碳键或碳-氮键。
实验条件Suzuki 交叉偶联反应的实验条件相对温和，一般包括以下几个方面： 1. 溶剂：常用的溶剂包括乙腈、二甲基亚砜和二氯甲烷等； 2. 钯催化剂：常用的钯催化剂包括[Pd(PPh3)4]、PdCl2(PPh3)2和[Pd(PPh3)2Cl2]等； 3. 硼试剂：常用的硼试剂包括芳基硼酸和烷基硼酸等； 4. 碱：常用的碱包括碳酸钠、碳酸钾和碱金属碱等。
应用领域Suzuki 交叉偶联反应在有机合成领域具有广泛的应用，特别是在以下几个方面：1. 药物合成：Suzuki 交叉偶联反应可用于合成药物分子的关键中间体，从而提高药物的合成效率和产量； 2. 材料科学：Suzuki 交叉偶联反应可用于合成具有特定结构和性质的有机材料，如聚合物和液晶材料等； 3. 天然产物合成：Suzuki 交叉偶联反应可用于合成天然产物的关键结构单元，从而实现天然产物的全合成。
优势与挑战Suzuki 交叉偶联反应作为一种有机合成方法，具有以下几个优势： 1. 高效性：Suzuki 交叉偶联反应通常具有较高的产率和选择性，可用于合成复杂化合物； 2.适用性广泛：Suzuki 交叉偶联反应适用于不同类型的有机卤化物和硼试剂，具有较高的反应适应性； 3. 可控性强：Suzuki 交叉偶联反应可以通过调节反应条件和催化剂的选择来控制反应的速率和产物的结构。
钯催化交叉偶联反应及其在有机合成中的应用
第16卷第12期江苏技术师范学院学报JOURNAL OF JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vo l.16,No.12Dec .,20102010年12月0引言2010年的诺贝尔化学奖颁发给了三个有机化学家，理查德·海克（Richard Heck ）、根岸英一（Ei-ichi Negishi）和铃木章（Akira Suzuki ），他们发现的钯催化交叉偶联反应具有高度的选择性，在相对温和的条件下，形成碳-碳单键。
在过去的40年里，这些反应成为有机化学家主要的非常有效的工具。
该反应作为五个被授予诺贝尔化学奖反应之一，其重要性已不言而喻。
前四个反应分别是Grignard 反应（1912），Diels-Alder 反应（1950），Wittig 反应（1979）和烯烃复分解（olefin metathesis ）反应（2005）。
由Heck 、Negishi 和Suzuki 研究的钯催化碳-碳单键的成键反应给有机合成带来了巨大的影响，在靶向合成方面有很多的应用。
这三个反应之所以被广泛应用于合成大量的天然化合物和具有生物活性的复杂分子结构的物质，主要是因为反应条件温和，大量的官能团在如此温和的条件下，能够不被破坏而保留下来。
这三个反应同样也广泛应用于精细化学品工业和制药工业中。
1钯催化交叉偶联反应———Heck 反应的发现20世纪50年代过渡金属开始在有机化学中发挥了相当大的作用，出现了大量的由过渡金属催化的构建有机化合物分子的反应。
一家德国公司Wacker Chemie AG 以钯作为催化剂，以空气氧化乙烯生成乙醛，这一重要的方法在工业上称为Wacker 法[1]。
Richard Heck 当时就职于美国Delaware 的一家化学公司，由于受到对化学生产中Wacker 法成功应用的日渐强烈的好奇心的驱使，他开始使用钯作为催化剂进行实验。
1968年，Heck 就其成功的研究工作，以唯一作者的身份发表了一系列研究论文[2-6]。
【历届诺贝尔奖得主(十一)】2010年化学奖
化学奖美国科学家理查德·海克（RichardF,Heck）、伊智根岸(Ei-ichiNegishi)和日本2010诺贝尔化学奖得主科学家铃木彰(AkiraSuzuki)因在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究获奖。
钯催化的交叉偶联是今天的化学家所拥有的最为先进的工具。
这种化学工具极大地提高了化学家们创造先进化学物质的可能性，例如，创造和自然本身一样复杂程度的碳基分子。
碳基(有机)化学是生命的基础，它是无数令人惊叹的自然现象的原因：花朵的颜色、蛇的毒性、诸如青霉素这样的能杀死细菌的物质。
有机化学使人们能够模仿大自然的化学，利用碳能力来为能发挥作用的分子提供一个稳定的框架，这使人类获得了新的药物和诸如塑料这样的革命性材料。
这一成果广泛应用于制药、电子工业和先进材料等领域，可以使人类造出复杂的有机分子。
理查德·赫克理查德·赫克，美国人，1954年在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校获得博士学位。
随后，他进入瑞士苏黎世联邦工学院进行博士后阶段的学习，后又进入美国特拉华大学工作并于1989年退休。
2010年获得诺贝尔化学奖人物简介理查德·赫克，美国科学家。
1952年和1954年，他分别在加州大学洛杉矶分校取得理学学士和博士学位，指导教授是化学家绍尔·温施泰因。
完成博士后之后，他前往瑞士苏黎世联邦理工学院，不久后又回到加州大学洛杉矶分校。
1957年，他开始在位于特拉华州城市城市威尔明顿的赫克力士公司工作。
在那里期间，他的研究屡出成果，使得他在1971年进入特拉华大学的化学与生物化学系就职。
他在特拉华大学一直工作到1989年退休。
赫克[1]1989年从特拉华大学退休后，仍为那里的化学与生物化学系名誉教授。
特拉华大学自2004年起，将一个讲师职位以赫克的名字命名。
2006年，赫克获赫尔伯特·C·布朗创新合成方法研究奖。
获诺贝尔奖理查德·赫克2010年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，美国科学家理查德·赫克和日本科理查德·赫克学家根岸荣一和铃木章共同获得今年的诺贝尔化学奖。
有机化学反应2010诺贝尔奖
有机合成反应钯作为催化剂两分子的有机有机合成反应钯作为催化剂两分子的有机反应物通过形成两个钯碳键碳被组装在钯原子上反应物通过形成两个钯碳键碳被组装在钯原子上这就使两个碳原子离得较近
1
杰子铃国和瑞
出的木科一典
贡在章学名皇
献“因家美家
பைடு நூலகம்
获钯开理国科
奖催发查科学
化更德学院
交 叉 偶 联 反 应 ” 研 究 领 域 作 出 了
有 效 的 连 接 碳 原 子 以 构 建 复 杂 分
10 6 2010
-
赫 克 ， 日 本 科 学 家 根 岸 英 一 和
家 获 得 年 诺 贝 尔 化 学 奖 。 美
月 日 宣 布 ， 两 名 日 本 科 学 家
2
有机合成反应，钯作为催化剂，两分子的有机 反应物通过形成两个钯－碳键，碳被组装在钯原子上， 这就使两个碳原子离得较近；靠近使两个碳原子 进一步形成C-C单键。
3
4
1，合成天然产物和生物活性物质的主要分子结构 例如来自于箭毒蛙科皮肤的毒素，高效的抗癌药物
2，运用于工业化生产结构新颖的化合物和新药物
例如工业化生产抗炎药奈普生，抗哮喘药物舒利迭
5
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杰子铃国和瑞
出的木科一典
贡在章学名皇
献“因家美家
பைடு நூலகம்
获钯开理国科
奖催发查科学
化更德学院
交 叉 偶 联 反 应 ” 研 究 领 域 作 出 了
有 效 的 连 接 碳 原 子 以 构 建 复 杂 分
10 6 2010
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赫 克 ， 日 本 科 学 家 根 岸 英 一 和
家 获 得 年 诺 贝 尔 化 学 奖 。 美
月 日 宣 布 ， 两 名 日 本 科 学 家
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有机合成反应，钯作为催化剂，两分子的有机 反应物通过形成两个钯－碳键，碳被组装在钯原子上， 这就使两个碳原子离得较近；靠近使两个碳原子 进一步形成C-C单键。
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1，合成天然产物和生物活性物质的主要分子结构 例如来自于箭毒蛙科皮肤的毒素，高效的抗癌药物
2，运用于工业化生产结构新颖的化合物和新药物
例如工业化生产抗炎药奈普生，抗哮喘药物舒利迭
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有机合成中钯催化下的交叉偶联反应
有机合成中钯催化下的交叉偶联反应－2010年诺贝尔化学奖简介陈明华( 兴义师范学院化学生物系，贵州兴义 562400)摘要:介绍了2010年诺贝尔化学奖的科学背景，即“有机合成中钯催化下的交叉偶联反应”的产生、发展和应用，体现了有机化学已经发展成为一门艺术形式，在这个形式下，科学家们在试管里创造性的产生出不可思议的化学物质的过程。
关键词:钯催化剂；交叉偶联反应；赫克反应；铃木反应；根岸反应Palladium-Catalyzed Cross Couplings in Organic SynthesisCHEN Ming-Hua(Department of Chemistry and Biological, Xingyi Normal College, Xingyi, Guizhou 562400)Abstract: This paper introduces scientific background of the Nobel Prize in Chemistry for 2010, it’s palladium-catalyzed cross couplings in organic synthesis.And this fack had been presents that “Organic chemistry has developed into an art form where scientists produce marvelous chemical creations in their test tubes”.Key words: palladium catalyst; cross-coupling reaction; heck reaction; suzuki reaction; negishi reaction2010年10月6日，瑞典皇家科学院决定授予美国特拉华大学(University of Delaware) 理查德-赫克(Richard F. Heck), 普渡大学(Purdue University)根岸荣一(Ei-ichi Negishi)和日本北海道大学(Hokkaido University)的铃木彰(Akira Suzuki)三位教授2010年的诺贝尔化学奖，以表彰他们在“有机合成中钯催化下的交叉偶联反应”作出的贡献[1]。
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肖唐鑫① 刘 立② 强琚莉③ 王乐勇④
①②博士研究生 , ③博士 , ④教授 , 南京大学化学化工学院 , 南 京 210093
关键词 钯催化 偶联反应 诺贝尔化学奖
2010 年 10 月 6 日 , 瑞典皇家科学院宣布将 2010 年诺贝尔化学奖授予美国科学家 Richard F .Heck , 日本科学家 Ei-ichi Negishi 和 Akira Suzuki。 这三名科学家是因为在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究而获 奖 。它为化学家提供了一款精致的工具来合成复杂的有机分子 。 这一成果广泛应用于制药 、电子工业和先进材料等 领域 。 笔者对钯催化交叉偶联反应领域作了粗浅的介绍 , 以期起到抛砖引玉之作用 。
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1 早期研究
有机合成化学制 造出的这几 千万种新的 物质绝大 多数都是以碳原子为 主来构建的 。 为了制 备结构更复 杂 、功能更强大的新型材料 , 就要想办法通过各种化学 反应将碳原子连接在 一起 。 然而碳原子本 身是十分稳 定的 , 在化学反应中并不活 泼 , 所以就得想办法来激活 碳原子 , 让它 更容易 参与反 应并 与其 他碳 原子连 接起 来 ,逐步 形成 更 高层 次 的碳 基 骨架 。1912 年 , 法 国人 Grignard 因发明有机镁试剂(格 氏试剂)而 荣获诺贝尔 化学奖 , 可以说是碳基活化史上的第一个里程碑 。随着 时代的发展 , 人们对碳基的研究愈加深入 。在研究的前 期 ,要么无法活化碳基 , 化合物难于参加反应 ;要么使碳 原子过于活 跃 , 虽然 能有效 地制 造出 很多 简单的 有机 物 ,但要是合成复杂分子却有大量的副产物生成 。正如 大家所知 , 在有机合成操 作中提纯是一项繁琐的工 作 。 H eck , Negish i 和 Suzuki 等人 通过实验 发现 , 当 碳原子 和钯原子连接在一 起 , 会形成一种“ 温和” 的碳钯键 , 在 这里钯既活跃了碳基 , 又使 其不至于过于活泼 , 然后又 可以把别的碳原子吸引过来 , 这样使得两个碳原子距离 拉近 , 容易成 键而 偶联 起来 。在 这里 钯原 子就相 当于 “ 媒人”的作用 , 只需使用 催化剂就行 。 所以“ 钯催化交 叉偶联反应”就 是一款精致 的工具 , 让化学 家得以像艺 术家一样来雕刻和拼接类似积木的模块(小的基团), 构 筑令人叹为观 止的艺术品(有机复杂 分子)。 与此同时 还避免了过多不必要副产物的生成 。
N egish i 和 Suzuki 都是日本公民 。 Negishi 1935 年 出生 , 1963 年 从美 国宾 夕法 尼 亚大 学获 得 博 士学 位 , 1979 年起任教于美国普渡大学至今 。 他虽定居美国 , 但 仍保持日本国籍 。Suzuk i 于 1930 年 出生 , 1959 年 从日 本北海道大学获得博士学位 , 现为北海道大学名誉退休 教授 。 他二人都曾师 从著名 诺贝尔奖 获得者 ———普 渡
图 1 钯催化交叉偶联反应的主要类型
2 反应机理简介
一个有机化学反应被发现后 , 接下来最重要的工作 就是来探究它们的反应机理 , 搞清楚反应在微观层次上 的实质 , 以便更好地调控反应 。 H eck , Negish i 和 Suzuk i 当初各自发现新 的反应后更 是毫不例外地 花大工夫来 探究它们的 反应机 理 , 这可 以从 他们 的原 始文献 上获 知 。现在我们也扼要介绍一下 H eck 反应 、N egishi 反应 和 Suzuki 反应的机理 。
大学已故学 者 H .C .Brown 教授 , 所以 Suzuk i 也算是 Negis hi 的同门 师兄了 。 在 20 世纪 70 年代初 , N egish i 就着手研究偶联反应的一些温和试剂 , 从最初的有机锆 试剂和有机铝试剂到 后来的有机 锌试剂 。 现在所说的 Negis hi 反应就是有机锌 、锆 、铝等化合物在零价钯催化 下的芳基化 、烯基化反应[ 10-11] (图 1)。 目 前 , Negish i 仍 然活跃于科学研究的 最前沿 。 例如最近他 和他的学生 王光伟博士等在 J .Org .Chem .上以很长的篇幅报道了 钯催化下偶联反应研究的进展[ 12] 。Suzuki 于 1963 年至 1965 年在 Brown 的实验室做博士后的时候正是硼氢化 反应在 Brow n 的实验室被发现后几年 。 Brown 也正是 因为硼氢化反应而获得 1979 年的诺贝尔奖 。 在这种背 景下 , Suzuki 开始了大量有机硼 试剂的研究 , 在 20 世纪 70 年代末证明了有机硼化合物在碱性条件和钯催化下能 够与烯基卤和芳基卤偶 联[ 13-14] (图 1)。Suzuki 反应 的产 物也具有立体专一性 , 反应条件温和 , 醛 、酮 、酯 、羟 基等 官能团均不受影响 , 这正是 Suzuki 反应的优势所在 。
2010 年的诺贝尔化学奖揭晓后 , 很多专业人士对此 并不感到惊讶 , 认为这次的评选结果实乃众望所归 。 确 实如此 , 三位科学家 都已近耄耋之年 , 他们所做 的贡献 早已造福全球 , 按理早应摘取这个桂冠了 。 当瑞典皇家 科学院在 2010 年 10 月 6 日宣布将诺贝尔化学奖颁发给 美国 科 学 家 Richard F .H eck 和 日 本 科学 家 Ei-ich i Negishi ,A kira Suzuki 时 , Heck 所 说的一句话 ———这是 个圆满的结局 ———道出了所有人的心声 。 目前 , 钯催化 的交叉偶联反应 在全球的科研 、医药生产 、电子 工业和 先进材料等领域 都有广泛应用 。 以在 此领域有卓 越贡 献的科学家名 字命名的有 机反应对于 从事化学的 人来 说是耳熟能详的 , 如 H eck 反应 、N egishi 反应 、Suzuki 反 应 、Stille 反 应 、Kumada 反 应 、Sonogashira 反 应 以 及 H iyama 反应等等 。
2 .1 HeΒιβλιοθήκη k 反应 H eck 反应以有机钯配合物为催化剂得到具有立体
专一性的芳香代 烯烃(图 2)。 反应 物主 要是卤 代芳烃 · 333 ·
Brief Introduct ion of No bel P rize
(碘 、溴)与含有 α-吸电子基团的烯烃 。 该反应的催化剂 通常用 Pd(0), Pd(II)或含 Pd 的配合物(常用醋 酸钯和 三苯基膦)。 卤代烃首 先与 A 发生氧化加 成反应 , C-X 键的断裂与 Pd-C 和 Pd-X 键的形成 是同步进行的 。 氧 化加成反应是偶联反应中最常见的决速步骤 , 经过氧化 加成化合物 A 生成中间体 B , B 再经过配体 解离 , 得到 化合物 RPdLX 。 RPdLX 先与烯烃配位 , 然后再经烯烃 插入 , 配体配位 得到中间 体 C 。 中 间体 C 的 C-C 键 旋 转 , 得到其构象异构体 , 从而可以进行 β-消除反应 , 生成 化合物 D 和目标产物 ———烃基化的烯烃 。 在碱性(如三 乙胺)条件下 , 碱与化合物 D 生成具有催化活性 的零价 钯 , 完成整个催化循环反应 。
Brief Introduct ion of No bel P rize
doi :10.3969/ j .issn 0253-9608 .2010 .06.005
Chinese J ournal o f N ature V ol .32 N o .6
钯催化的交叉偶联反应 ———2010 年诺贝尔化学奖简介
众所周知 , 有机合成化学以其强大的生命力制造出 了几千万种新 的物质 , 并且这个数目仍在迅 速的膨胀 , 而有机合成化学的基础核心是新型 、高效有机合成方法 学的研究和发展 。 我们 从 21 世纪这 10 年 来三次与 有 机合成方法学 相关的诺贝 尔化学奖授 予情况可以 看出 这一领域的重要性 :2001 年 W .S .K nowles , R .Noyori 和 K .B .Sh arpless 因在发展催化不对称合成研究方面 获奖 ;2005 年 Y .Ch auvin , R .H .G rubbs 和 R .R . Sch rock 因在发展 烯烃 复分解 反应所 作出 的贡 献而 获 奖 ;最后 就是 2010 年的 钯催化 交叉偶 联反 应的获 奖 。 下面对钯催化交叉偶联反应的早期研究 、反应机理以及 发展应用等 做一 个粗浅 的介 绍 , 以期 达到 抛砖 引玉 之 作用 。
H eck 1931 年出生于美国麻省斯普林菲尔 德(Spri-
自 然 杂 志 第 32 卷第 6 期
诺贝尔奖简介
ngfield)。 1954 年在美国加州大学洛杉矶分校(UCLA) 获得博士学位 , 师从 Saul Winstein 教授 。 他现在是美国 特拉华大学名誉 退休教授 。 特拉华 大学自 2004 年起 , 以 H eck 的名字命名了一个教授席位以显示对他所取得 成就的尊重 。2006 年 , H eck 荣获 H .C .Brown 创新合 成方法研究奖 。 在这次获 奖的三名 科学家中 , H eck 是 最早着手研究钯催 化偶联反应的 。 20 世纪 60 年代末 , 他就开始致力 于在室温条 件下苯基钯 卤代物在烯 烃原 位上的加成反应 。 特别是在 1968 年 , H eck 在美国化学 会会志(J .A m .Chem .Soc .)上以唯一作者发表 一系列 连续论文[ 1-7] , 介绍了钯催 化下芳基 汞化合 物的偶联 反 应 。1971 年 , 日本化学家 Tsutomo Mizoroki 在 H eck 等 人的研究基础上 , 对 以往方法进行了改进 , 报道 了乙酸 钾作碱和氯化钯催化下 , 使用 毒性较低的 卤代芳烃(碘 苯)与苯乙烯偶联为二苯 乙烯的反应[ 8] 。 因此 H eck 反 应也称为 Mizoroki-H eck 反应 。不幸的是 , Mizoroki 因 癌症在 1980 年 就英年早逝 , 这 不得不说是 科学界的 一 大损失 , 令人无限惋惜 ! 1972 年 , Heck 对 Mizoroki 的反 应又 做了改 进 , 并 将成果 发表在当 年的 J .Org .Chem . 上[ 9] ,是为 “H eck 反应” 。具体来讲 , Heck 反应是由一个 不饱和卤代烃(或三氟甲磺酸酯)和一个烯烃在钯催化和 碱存在下生成取代烯烃的偶联反应(图 1),它是一种均相 催化反应 , 反应产物烯烃具有立体专一性 、产率高 , 是形 成碳 -碳键的一个非常好的方法 。 可以说 , Heck 反应的 出现是金属有机催化活 化碳基的又 一个里程碑 。 Heck 反应自 发 现 起 , 其 在有 机 合成 中 的 重要 性 逐 步增 长 。 1982 年 ,H eck 在 Organic Reactions 上仅用 45 页 , 便总结 了当时 H eck 反应 的应 用实例 。 但 到 2002 年 , 发表 在 Organic Reactions 上 , 仅与分 子内 H eck 反应相关 的文 章 , 就已达 377 页 。 现今 , H eck 反应是有机合成中构建 碳 -碳键的常用方法之一 , 也是日后发现众多钯催化反 应的基础 。 曾被 H eck 研究的一个以炔烃为底物的偶联 反应 , 1975 年被日本化学家 Sonogashira 详细研究 , 他向 反应液中加入亚铜盐以改进反应产率 , 取得较好的结果 。 这一偶联反应现称为 Sonogashira 偶联反应 , 亦是有机合 成重要技术之一 。在生物医学上 , 将荧光染料与 DNA 碱 基偶联 时用到 的正是 Sonogashira 偶联 反应 , 这 对自 动 DNA 测序和阐明人类基因组起到了重要的作用 。
①②博士研究生 , ③博士 , ④教授 , 南京大学化学化工学院 , 南 京 210093
关键词 钯催化 偶联反应 诺贝尔化学奖
2010 年 10 月 6 日 , 瑞典皇家科学院宣布将 2010 年诺贝尔化学奖授予美国科学家 Richard F .Heck , 日本科学家 Ei-ichi Negishi 和 Akira Suzuki。 这三名科学家是因为在有机合成领域中钯催化交叉偶联反应方面的卓越研究而获 奖 。它为化学家提供了一款精致的工具来合成复杂的有机分子 。 这一成果广泛应用于制药 、电子工业和先进材料等 领域 。 笔者对钯催化交叉偶联反应领域作了粗浅的介绍 , 以期起到抛砖引玉之作用 。
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1 早期研究
有机合成化学制 造出的这几 千万种新的 物质绝大 多数都是以碳原子为 主来构建的 。 为了制 备结构更复 杂 、功能更强大的新型材料 , 就要想办法通过各种化学 反应将碳原子连接在 一起 。 然而碳原子本 身是十分稳 定的 , 在化学反应中并不活 泼 , 所以就得想办法来激活 碳原子 , 让它 更容易 参与反 应并 与其 他碳 原子连 接起 来 ,逐步 形成 更 高层 次 的碳 基 骨架 。1912 年 , 法 国人 Grignard 因发明有机镁试剂(格 氏试剂)而 荣获诺贝尔 化学奖 , 可以说是碳基活化史上的第一个里程碑 。随着 时代的发展 , 人们对碳基的研究愈加深入 。在研究的前 期 ,要么无法活化碳基 , 化合物难于参加反应 ;要么使碳 原子过于活 跃 , 虽然 能有效 地制 造出 很多 简单的 有机 物 ,但要是合成复杂分子却有大量的副产物生成 。正如 大家所知 , 在有机合成操 作中提纯是一项繁琐的工 作 。 H eck , Negish i 和 Suzuki 等人 通过实验 发现 , 当 碳原子 和钯原子连接在一 起 , 会形成一种“ 温和” 的碳钯键 , 在 这里钯既活跃了碳基 , 又使 其不至于过于活泼 , 然后又 可以把别的碳原子吸引过来 , 这样使得两个碳原子距离 拉近 , 容易成 键而 偶联 起来 。在 这里 钯原 子就相 当于 “ 媒人”的作用 , 只需使用 催化剂就行 。 所以“ 钯催化交 叉偶联反应”就 是一款精致 的工具 , 让化学 家得以像艺 术家一样来雕刻和拼接类似积木的模块(小的基团), 构 筑令人叹为观 止的艺术品(有机复杂 分子)。 与此同时 还避免了过多不必要副产物的生成 。
N egish i 和 Suzuki 都是日本公民 。 Negishi 1935 年 出生 , 1963 年 从美 国宾 夕法 尼 亚大 学获 得 博 士学 位 , 1979 年起任教于美国普渡大学至今 。 他虽定居美国 , 但 仍保持日本国籍 。Suzuk i 于 1930 年 出生 , 1959 年 从日 本北海道大学获得博士学位 , 现为北海道大学名誉退休 教授 。 他二人都曾师 从著名 诺贝尔奖 获得者 ———普 渡
图 1 钯催化交叉偶联反应的主要类型
2 反应机理简介
一个有机化学反应被发现后 , 接下来最重要的工作 就是来探究它们的反应机理 , 搞清楚反应在微观层次上 的实质 , 以便更好地调控反应 。 H eck , Negish i 和 Suzuk i 当初各自发现新 的反应后更 是毫不例外地 花大工夫来 探究它们的 反应机 理 , 这可 以从 他们 的原 始文献 上获 知 。现在我们也扼要介绍一下 H eck 反应 、N egishi 反应 和 Suzuki 反应的机理 。
大学已故学 者 H .C .Brown 教授 , 所以 Suzuk i 也算是 Negis hi 的同门 师兄了 。 在 20 世纪 70 年代初 , N egish i 就着手研究偶联反应的一些温和试剂 , 从最初的有机锆 试剂和有机铝试剂到 后来的有机 锌试剂 。 现在所说的 Negis hi 反应就是有机锌 、锆 、铝等化合物在零价钯催化 下的芳基化 、烯基化反应[ 10-11] (图 1)。 目 前 , Negish i 仍 然活跃于科学研究的 最前沿 。 例如最近他 和他的学生 王光伟博士等在 J .Org .Chem .上以很长的篇幅报道了 钯催化下偶联反应研究的进展[ 12] 。Suzuki 于 1963 年至 1965 年在 Brown 的实验室做博士后的时候正是硼氢化 反应在 Brow n 的实验室被发现后几年 。 Brown 也正是 因为硼氢化反应而获得 1979 年的诺贝尔奖 。 在这种背 景下 , Suzuki 开始了大量有机硼 试剂的研究 , 在 20 世纪 70 年代末证明了有机硼化合物在碱性条件和钯催化下能 够与烯基卤和芳基卤偶 联[ 13-14] (图 1)。Suzuki 反应 的产 物也具有立体专一性 , 反应条件温和 , 醛 、酮 、酯 、羟 基等 官能团均不受影响 , 这正是 Suzuki 反应的优势所在 。
2010 年的诺贝尔化学奖揭晓后 , 很多专业人士对此 并不感到惊讶 , 认为这次的评选结果实乃众望所归 。 确 实如此 , 三位科学家 都已近耄耋之年 , 他们所做 的贡献 早已造福全球 , 按理早应摘取这个桂冠了 。 当瑞典皇家 科学院在 2010 年 10 月 6 日宣布将诺贝尔化学奖颁发给 美国 科 学 家 Richard F .H eck 和 日 本 科学 家 Ei-ich i Negishi ,A kira Suzuki 时 , Heck 所 说的一句话 ———这是 个圆满的结局 ———道出了所有人的心声 。 目前 , 钯催化 的交叉偶联反应 在全球的科研 、医药生产 、电子 工业和 先进材料等领域 都有广泛应用 。 以在 此领域有卓 越贡 献的科学家名 字命名的有 机反应对于 从事化学的 人来 说是耳熟能详的 , 如 H eck 反应 、N egishi 反应 、Suzuki 反 应 、Stille 反 应 、Kumada 反 应 、Sonogashira 反 应 以 及 H iyama 反应等等 。
2 .1 HeΒιβλιοθήκη k 反应 H eck 反应以有机钯配合物为催化剂得到具有立体
专一性的芳香代 烯烃(图 2)。 反应 物主 要是卤 代芳烃 · 333 ·
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(碘 、溴)与含有 α-吸电子基团的烯烃 。 该反应的催化剂 通常用 Pd(0), Pd(II)或含 Pd 的配合物(常用醋 酸钯和 三苯基膦)。 卤代烃首 先与 A 发生氧化加 成反应 , C-X 键的断裂与 Pd-C 和 Pd-X 键的形成 是同步进行的 。 氧 化加成反应是偶联反应中最常见的决速步骤 , 经过氧化 加成化合物 A 生成中间体 B , B 再经过配体 解离 , 得到 化合物 RPdLX 。 RPdLX 先与烯烃配位 , 然后再经烯烃 插入 , 配体配位 得到中间 体 C 。 中 间体 C 的 C-C 键 旋 转 , 得到其构象异构体 , 从而可以进行 β-消除反应 , 生成 化合物 D 和目标产物 ———烃基化的烯烃 。 在碱性(如三 乙胺)条件下 , 碱与化合物 D 生成具有催化活性 的零价 钯 , 完成整个催化循环反应 。
Brief Introduct ion of No bel P rize
doi :10.3969/ j .issn 0253-9608 .2010 .06.005
Chinese J ournal o f N ature V ol .32 N o .6
钯催化的交叉偶联反应 ———2010 年诺贝尔化学奖简介
众所周知 , 有机合成化学以其强大的生命力制造出 了几千万种新 的物质 , 并且这个数目仍在迅 速的膨胀 , 而有机合成化学的基础核心是新型 、高效有机合成方法 学的研究和发展 。 我们 从 21 世纪这 10 年 来三次与 有 机合成方法学 相关的诺贝 尔化学奖授 予情况可以 看出 这一领域的重要性 :2001 年 W .S .K nowles , R .Noyori 和 K .B .Sh arpless 因在发展催化不对称合成研究方面 获奖 ;2005 年 Y .Ch auvin , R .H .G rubbs 和 R .R . Sch rock 因在发展 烯烃 复分解 反应所 作出 的贡 献而 获 奖 ;最后 就是 2010 年的 钯催化 交叉偶 联反 应的获 奖 。 下面对钯催化交叉偶联反应的早期研究 、反应机理以及 发展应用等 做一 个粗浅 的介 绍 , 以期 达到 抛砖 引玉 之 作用 。
H eck 1931 年出生于美国麻省斯普林菲尔 德(Spri-
自 然 杂 志 第 32 卷第 6 期
诺贝尔奖简介
ngfield)。 1954 年在美国加州大学洛杉矶分校(UCLA) 获得博士学位 , 师从 Saul Winstein 教授 。 他现在是美国 特拉华大学名誉 退休教授 。 特拉华 大学自 2004 年起 , 以 H eck 的名字命名了一个教授席位以显示对他所取得 成就的尊重 。2006 年 , H eck 荣获 H .C .Brown 创新合 成方法研究奖 。 在这次获 奖的三名 科学家中 , H eck 是 最早着手研究钯催 化偶联反应的 。 20 世纪 60 年代末 , 他就开始致力 于在室温条 件下苯基钯 卤代物在烯 烃原 位上的加成反应 。 特别是在 1968 年 , H eck 在美国化学 会会志(J .A m .Chem .Soc .)上以唯一作者发表 一系列 连续论文[ 1-7] , 介绍了钯催 化下芳基 汞化合 物的偶联 反 应 。1971 年 , 日本化学家 Tsutomo Mizoroki 在 H eck 等 人的研究基础上 , 对 以往方法进行了改进 , 报道 了乙酸 钾作碱和氯化钯催化下 , 使用 毒性较低的 卤代芳烃(碘 苯)与苯乙烯偶联为二苯 乙烯的反应[ 8] 。 因此 H eck 反 应也称为 Mizoroki-H eck 反应 。不幸的是 , Mizoroki 因 癌症在 1980 年 就英年早逝 , 这 不得不说是 科学界的 一 大损失 , 令人无限惋惜 ! 1972 年 , Heck 对 Mizoroki 的反 应又 做了改 进 , 并 将成果 发表在当 年的 J .Org .Chem . 上[ 9] ,是为 “H eck 反应” 。具体来讲 , Heck 反应是由一个 不饱和卤代烃(或三氟甲磺酸酯)和一个烯烃在钯催化和 碱存在下生成取代烯烃的偶联反应(图 1),它是一种均相 催化反应 , 反应产物烯烃具有立体专一性 、产率高 , 是形 成碳 -碳键的一个非常好的方法 。 可以说 , Heck 反应的 出现是金属有机催化活 化碳基的又 一个里程碑 。 Heck 反应自 发 现 起 , 其 在有 机 合成 中 的 重要 性 逐 步增 长 。 1982 年 ,H eck 在 Organic Reactions 上仅用 45 页 , 便总结 了当时 H eck 反应 的应 用实例 。 但 到 2002 年 , 发表 在 Organic Reactions 上 , 仅与分 子内 H eck 反应相关 的文 章 , 就已达 377 页 。 现今 , H eck 反应是有机合成中构建 碳 -碳键的常用方法之一 , 也是日后发现众多钯催化反 应的基础 。 曾被 H eck 研究的一个以炔烃为底物的偶联 反应 , 1975 年被日本化学家 Sonogashira 详细研究 , 他向 反应液中加入亚铜盐以改进反应产率 , 取得较好的结果 。 这一偶联反应现称为 Sonogashira 偶联反应 , 亦是有机合 成重要技术之一 。在生物医学上 , 将荧光染料与 DNA 碱 基偶联 时用到 的正是 Sonogashira 偶联 反应 , 这 对自 动 DNA 测序和阐明人类基因组起到了重要的作用 。