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Ni催化的碳(sp~2)-碳和碳(sp~2)-杂交叉偶联反应

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2005年第25卷 有 机 化 学 Vol. 25, 2005 第12期, 1508～1529 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 12, 1508～1529

* E-mail: qxguo@ustc.edu.cn Received May 10, 2004; revised April 4, 2005; accepted April 20, 2005. 国家自然科学基金(No. 20472079)资助项目.

·综述与进展· Ni催化的碳(sp2)-碳和碳(sp2)-杂交叉偶联反应 李 哲 傅 尧 刘 磊 郭庆祥*

(中国科学技术大学化学系 合肥 230026)

摘要 综述了Ni催化的碳(sp2)-碳和碳(sp2)-杂交叉偶联反应. 主要反应类型有: Heck反应、Sonogashira反应、

Kumada-Corriu反应、Negishi反应、Stille反应、Suzuki反应、Ullmann反应、C—N偶联反应、C—O偶联反应、C—P偶联反应和C—S偶联反应. 详细地介绍了各个反应的底物要求、反应条件、反应选择性和产率. 最后, 我们对Ni催化的反应机理研究也作了总结. 关键词 镍; 交叉偶联; 催化反应; 反应机理

Ni-catalyzed C(sp2)-carbon and C(sp2)-heteroatom Cross-coupling Reactions

LI, Zhe FU, Yao LIU, Lei GUO, Qing-Xiang* (Department of Chemistry, University of Science and Technology of China, Hefei 230026)

Abstract Nickel-catalyzed C—C and C-heteroatom cross-coupling reactions are reviewed. The reactions include Heck reaction, Sonogashira reaction, Kumada-Corriu reaction, Negishi reaction, Stille reaction, Su-zuki reaction, Ullmann reaction, C—N coupling, C—O coupling, C—P coupling, and C—S coupling. The substrates, reaction conditions, selectivities and yields of these reactions are described. The mechanistic studies on Ni-catalyzed reactions were also surveyed. Keywords Ni; cross-coupling; catalytic reaction; reaction mechanism

卤代芳烃或者烯烃与亲核性碳原子或者杂原子之间的催化偶联反应(Eq. 1)是近年来有机化学研究中的一项重要成就. 这是由于卤代芳烃或者烯烃中的碳原子采用sp2杂化, 因而传统的SN2取代反应对这一类偶联并不奏效. 为了实现偶联的效果, 传统的合成不得不采用先连接成环再芳构化的迂回策略. 相比之下, 现代的碳(sp2)-碳和碳(sp2)-杂催化偶联反应高效而经济, 因而已经成为有机合成中不可缺少的一个手段. 它被广泛应用于医药、农药、以及精细化工品的各种合成实践之中, 并为社会带来了显著的经济效益[1]. 在诸多碳(sp2)-碳和碳(sp2)-杂偶联反应里, 过渡金属的催化起着关键的作用. 对于这方面的研究, 最早可以追述到Kharasch时代[2]. 他与随后Kochi等的研究[3]向人们显示了在Fe, Co, Ni, Cu, Ag等多种过渡金属盐的存在下, 亲核性碳(主要是格氏试剂)能够与卤代烃直接发生偶联. 然而, 由于Kharasch和Kochi研究的反应往往产物复杂而且产率较低, 这些早期的研究并没有被人们重视.

直到1970年, Yamamoto等[4]提出了Ni的氧化加成以及还原消除反应机理. 随后Corriu与Kumada各自独立地发现了真正具有使用价值的Ni催化碳-碳偶联反 应[5,6]. 1975年, Murahashi, Sonogashira, Negishi和 No. 12 李哲等：Ni催化的碳(sp2)-碳和碳(sp2)-杂交叉偶联反应 1509 Hayashi等又发现了高效的Pd催化碳-碳偶联反应[7]. 在此之后, Ni和Pd的催化偶联受到了越来越多研究者的注意, 并涌现出诸如Stille, Negishi, Suzuki以及Normant等一系列的人名反应. 同时, C—N, C—O, C—P以及C—S等C(sp2)-杂偶联反应也得到了长足的发展. 经过大量系统的研究, Ni和Pd催化的碳(sp2)-碳和碳(sp2)-杂偶联反应最终发展成为现代有机合成所不可缺少的关键方法[8]. 目前, 绝大多数的催化偶联反应使用钯盐作为催化剂. 这是由于钯盐催化的反应具有条件温和、底物适用性较广以及催化转换数(Turnover)较高等优点. 然而, 人们也对镍盐催化的偶联反应产生了极大的兴趣. 这不仅是由于镍盐远远较钯盐便宜, 而且还由于镍盐可能催化一些钯盐不能催化偶联反应. 此外, 即使是同样的偶联反应, 镍盐催化可能产生与钯盐催化不同的官能团选择性、区域选择性以及立体选择性等. 为此, 有必要继续深入地研究镍盐催化的偶联反应. 为了系统地总结已有的知识, 我们在此对镍盐催化的偶联反应作一个详尽的综述. 1 反应类型 1.1 C—C偶联反应 碳(sp2)-碳偶联反应中的sp2碳可以来自于芳环, 也可以来自于烯烃. 亲核性碳原子则通常来自于C—C双键(Heck反应)、C—C叁键(Sonogashira反应)、C—Mg键(Kumada-Corriu反应)、C—Zn键(Negishi反应)、C—Sn键(Stille反应)以及C—B键(Suzuki反应). 此外, 在某些情况下C—X (X＝Cl, Br, I)键中的碳原子可以还原偶联到碳(sp2)上. 这种还原偶联反应通常被称为Ullmann反应. 1.1.1 Heck反应 Mizoroki和Heck[9]分别于1971和1972年独立地发现了Heck反应. 随后Heck将此反应发展成为一种有机合成中广泛应用的方法[10]. 通常情况下, Heck反应由钯的配合物催化. Heck反应的通式见Eq. 2, 偶联一般发生在烯烃没有取代基的一端, 产物主要是E式构型. 卤代烃的活性是I最大, Br次之, Cl活性最低. 卤代芳烃上有吸电子基团和贫电子的烯烃反应产率更高, 反应的立体选择性较好, 分子内的Heck反应是成环的有效手段[11], 但是总体看来, Ni催化的Heck反应的产率仍然偏低. NiCl2(Ph3P)2

是较早用于Heck反应的镍盐催化

剂[12], 但是其催化的反应产率不高, 而且会产生两种副

产物. 反应分成两步进行, 卤代芳烃在第二步中被加入到反应混合物中(Scheme 1). 生成的交叉偶联产物的双键全部都是E式构型.

Scheme 1 为了消除上述的副反应, Iyer等使用Ni[P(OPh)3]4

或Ni[P(OEt)3]4作催化剂, 进行了多种卤代芳烃或卤代

烯烃与烯烃之间的偶联反应[13](Eq. 3), 得到了较好的产

率. 这种催化剂克服了NiCl2(Ph3P)2不稳定的缺点, 可

以一次将反应物和催化剂混合在一起, 产物也是全部是E式构型. 除了烯烃, 一些炔烃也可以在这个条件下和卤代烃反应. 使用Ni[P(OEt)3]4催化的反应速率要比

Ni[P(OPh)3]4快, 而使用PPh3

做配体的Ni催化反应速率

则更快.

除了上述均相催化体系, Bhanage等发展了基于Ni-TPPTS (TPPTS: triphenylphosphine trisulfonate so-dium salt)的多相催化剂[14,15]. Ni(OAc)2

和TPPTS被溶解

在乙二醇中, 然后吸附在硅胶上, 再将制备好的硅胶催化剂和反应物混合, 以甲苯作溶剂(Eq. 4). 产物的选择性和均相催化体系相同, 也是100%的E式产物; 转化率稍低于均相体系, 但是加大硅胶催化剂的用量可以明显地提高转化率. 乙酸钾作为无机碱和三乙胺、嘧啶等有机碱相比, 具有易于和产品分离, 以及不会将镍从固相中溶解出来的优点. 反应结束后, 硅胶很容易过滤出来, 溶液中没有残留的镍, 而且过滤出的硅胶催化剂可以重复使用多次, 产率基本不变. 其它的金属, 例如钯, 也可以在类似的条件下催化这个反应. Ni催化剂的活性和选择性次于钯, 而好于铑、钌、钴、铂等催化剂. 1510 有 机 化 学 Vol. 25, 2005

1.1.2 Sonogashira反应 炔烃也可以和卤代烃发生和Heck反应类似的反应, 通常称为Sonogashira反应[16]. 该反应适合于Br, I取代

的芳烃或者苯和苯乙炔的偶联, 氯代烃难以反应, 卤代烃上的双键构型会保持, 有较高的化学选择性和区域选择性. Beletaskaya等发现Ni(PPh3)2Cl2

可以催化碘苯和苯

乙炔的反应[17]. 含有吸电子或者给电子取代基的苯乙

炔和碘苯都有较高的偶联产率(Eq. 5), 但是3-溴喹啉和苯乙炔的产率只有27%.

随后, Wang等使用超细微Ni粉(直径约100 nm)作为催化剂, 扩大了这个反应的适用范围(Scheme 2)[18].

超细微Ni粉对于反应是不可缺少的. 如果换成100目的Ni粉, 则只能得到痕量的产物. 溶剂和碱的选择对于产率有重要的影响. 反应用过的Ni粉还可以回收使用, 催化活性基本不变.

Scheme 2 1.1.3 Kumada-Corriu反应 1972年, Corriu与Kumada各自独立地发现了Ni催化的取代芳烃或者烯烃与格氏试剂之间的碳碳偶联反应[19]. Kumada-Corriu偶联反应的通式见Eq. 6.

其中X是一个离去基团, 通常是卤素, 但也可以是OTf, OMs, CN, SR, SeR等其它的离去基团. Kumada-Corriu反应是合成不对称C—C键的有效方法.

Ni催化剂对于Br, I取代的芳香烃和烯烃与格氏试剂的偶联有很好的效果, 最近的一些研究又将其应用范围扩大到了F、烷氧基和烷硫基取代的芳烃, 以及卤代烷烃, 但是由于格氏试剂很活泼, 对于羰基、氰基等基团的兼容性较差. 反应对于卤代烯烃上的双键一般是构型保留的, 具有立体专一性, 而对于格氏试剂上的双键一般是生成E、Z两种构型的混合物. 当使用2级以上碳的格氏试剂时, 往往容易发生β-H消除, 降低产率[15],

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碳碳键偶联人名反应

碳碳键偶联人名反应

碳碳键偶联人名反应一、引言碳碳键偶联人名反应是有机化学中的一种重要反应，它可以将两个碳原子通过共价键连接起来。

该反应在有机合成中具有广泛的应用，可以用于构建复杂的分子结构，如天然产物和药物。

本文将介绍碳碳键偶联人名反应的基本概念、机理和实际应用。

二、基本概念碳碳键偶联人名反应是指通过催化剂促进两个烷基或芳香族基之间形成新的碳-碳键的化学反应。

这种反应可以在不同的条件下进行，如常温下或高温下，在溶液中或固体中。

常见的催化剂包括钯、铜、镍等金属催化剂，以及硼酸类和亚磷酸类配体。

三、机理1. 钯催化剂钯催化剂是最常用的催化剂之一，它可以促进烷基或芳香族基之间形成新的碳-碳键。

钯催化剂通常与亚磷酸配体或氧杂环丁烷配体一起使用，以增强其活性和选择性。

反应的机理包括以下几个步骤：（1）钯催化剂与亚磷酸配体或氧杂环丁烷配体形成活性物种；（2）活性物种与底物发生配位作用，形成中间体；（3）中间体发生还原消除，生成新的碳-碳键；（4）催化剂再次被氧化，回到起始状态。

2. 铜催化剂铜催化剂也可以促进烷基或芳香族基之间形成新的碳-碳键。

铜催化剂通常与二甲基亚磷酸钠或三甲基膦一起使用，以增强其活性和选择性。

反应的机理包括以下几个步骤：（1）铜催化剂与二甲基亚磷酸钠或三甲基膦形成活性物种；（2）活性物种与底物发生配位作用，形成中间体；（3）中间体发生还原消除，生成新的碳-碳键；（4）催化剂再次被氧化，回到起始状态。

四、实际应用碳碳键偶联人名反应在有机合成中具有广泛的应用，可以用于构建复杂的分子结构，如天然产物和药物。

以下是一些实际应用的例子：1. Suzuki偶联反应Suzuki偶联反应是一种常见的碳碳键偶联反应，它可以将芳香族卤化物与有机硼酸酯或有机硼酸盐在钯催化下发生交叉偶联反应，生成新的芳香族化合物。

该反应在药物合成中广泛应用。

2. Heck偶联反应Heck偶联反应是一种将芳香族或烷基卤化物与烯烃在钯催化下发生偶联反应的方法。

双键和硼酸的偶联

双键和硼酸的偶联

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双键和硼酸的偶联是一种化学反应，涉及将硼酸基团连接到双键上。

这种偶联反应可以通过多种方法实现，包括使用手性膦-镍络合物催化醛、二烯烃和芳基硼酸的三组分偶联反应，或者通过镍氢催化的不对称C(sp³)-C(sp³)偶联反应等。

在手性膦-镍络合物催化的反应中，醛、二烯烃和芳基硼酸三者发生偶联，生成高烯丙基醇。

而在镍氢催化的反应中，α-芳基或α-硼烷基可以稳定支链的烷基-镍中间体，从而减缓“链行走”反应速率，进而降低甚至抑制副反应的发生。

双键和硼酸的偶联反应在化学合成中具有重要的应用价值，可以用于制备各种化合物。

在实际应用中，选择合适的催化剂和反应条件对于获得良好的反应结果至关重要。

碳氮偶联反应汇总

碳氮偶联反应汇总

碳氮偶联反应汇总碳氮偶联反应是一种常见的化学反应，是一种基于碳氮双原子键合特性而发生的重要反应。

是在一定条件下，把同一分子中以氮原子连接的两个碳原子分开，产生两个不同的化学物质，这种反应的总的一般式表达为：R-N-R→R-X+R-Y。

碳氮偶联反应是贵金属催化剂和可氧化物引发的一类重要的反应，它可以通过简单的化学方法实现结构的改造，从而获得芳香环结构、稳定的碳链结构和高级的氮杂环结构，为有机合成提供了新的思路和可能。

碳氮偶联反应涉及了不同类型的碳氮偶联转化，其中包括烯烃、烷烃、芳香环相关的反应、醚化反应、氮杂环反应，以及烷基化反应等。

烯烃碳氮偶联反应是一种常见的碳氮偶联反应，是把烯烃中以氮原子连接的两个碳原子分离并形成两个不同的物质的过程。

其中包括杂芳烃烯烃的烯烃氧化碳氮偶联反应，极性催化剂催化的醇酸碳氮偶联反应，以及烯烃氧化醛碳氮偶联反应。

烷烃碳氮偶联反应是把烷烃中以氮原子连接的两个碳原子分离并形成两个不同的物质的过程。

常见的烷烃碳氮偶联反应包括：Palladium Catalyst-Catalyzed AlkylNitrile Coupling Reaction；Copper-Catalyzed AlkaneNitrile Coupling Reaction；Silver-Catalyzed AlkaneNitrile Coupling Reaction；Nickel-Catalyzed AlkylNitrile Coupling Reaction等。

芳香环相关的反应是把烯烃中以氮原子以及芳香环连接的两个相邻碳原子分离并形成两个不同的物质的过程。

常见的芳香环相关的碳氮偶联反应有：Copper-Catalyzed AromaticAromatic Coupling Reaction；Palladium-Catalyzed AromaticAromatic Coupling Reaction；Silver-Catalyzed AromaticAromatic Coupling Reaction 等。

还原交叉偶联反应机理

还原交叉偶联反应机理

还原交叉偶联反应机理交叉偶联反应是一种重要的有机合成方法，可以将两个不同的有机分子通过偶联反应连接在一起形成新的化合物。

在有机合成中，交叉偶联反应被广泛应用于构建碳-碳和碳-异原子键的建立，从而合成具有复杂结构的有机分子。

交叉偶联反应的机理非常复杂，根据不同的底物和催化剂，反应机理也不尽相同。

本文将以苯基锌试剂与卤代烷反应为例，简要介绍交叉偶联反应的机理。

1. 活化底物：交叉偶联反应的第一步是对底物（一般为卤代烷）的活化。

在交叉偶联反应中，常使用金属催化剂（如钯、铜等）来促进反应。

以苯基锌试剂为例，苯基锌试剂首先与金属催化剂发生配位作用，形成一个活化的金属-锌中间体。

2. 跨偶联反应：活化的底物与另一个底物（一般为芳香环或烯烃）发生偶联反应，形成新的碳-碳键。

在苯基锌试剂与卤代烷反应中，苯基锌试剂中的苯基通过与卤代烷发生反应，取代卤素原子，并形成新的碳-碳键。

这一步骤通常需要催化剂的参与，金属催化剂可以提供活化底物和另一个底物之间的中间体。

3. 生成产物：经过跨偶联反应后，生成的产物与催化剂发生解离，释放出目标产物。

在苯基锌试剂与卤代烷反应中，目标产物是一种具有苯基取代基的有机化合物。

总结起来，交叉偶联反应的机理可以分为活化底物、跨偶联反应和生成产物三个步骤。

通过金属催化剂的参与，活化底物与另一个底物发生偶联反应，形成新的碳-碳键，并最终生成目标产物。

交叉偶联反应是一种非常有用的有机合成方法，可以构建复杂的有机分子。

随着对反应机理的深入研究，科学家们可以设计出更高效、选择性更好的催化剂，进一步推动交叉偶联反应的发展。

需要注意的是，在实际应用中，交叉偶联反应的机理可能会因底物和催化剂的不同而有所差异。

因此，在进行交叉偶联反应时，需要根据具体的反应条件和底物特点来选择合适的催化剂和反应条件，以实现高效的反应。

交叉偶联反应机理的理解对于有机合成的研究和应用具有重要意义。

通过深入了解反应机理，可以更好地设计和优化交叉偶联反应，为有机化学领域的发展做出更大的贡献。