金属钯在有机反应中的催化应用.

金属钯在有机反应中的催化应用主讲人：周晋化学工程学院主要内容Pd催化剂的独特地位金属配合物的基元反应金属钯催化的反应类型交叉偶联反应醇需氧氧化反应一、金属钯催化剂的独特地位1.金属在有机化学中的应用绝大多数有机化合物由C、H、N、O、S、P等非金属元素组成但元素周期表中3/4的的元素为金属元素多种金属元素已经被应用于有机化学反应活泼主族金属元素：如Li、K、Na、Mg、CaCH3Lit-BuOKNaBH4CaH2NaNH2CH3MgCl第三主族金属元素（Lewis酸催化剂）：傅克反应硼氢化还原反应过渡金属(1)过渡金属试剂参与化学计量反应KMnO4CrO3Zn-Hg(2)过渡金属催化剂OrganometallicChemistryDirectedTowardsOrganicSynthesis(OMCOS)Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru等等回顾诺贝尔奖颁奖一个多世纪以来，化学奖授予给有机合成方法学的一共有6次。在我们今天看来，它们都是在有机合成上具有划时代意义的，是经典中的经典的！它们分别是1912年格林尼亚的格氏试剂；1950年Diels-Alder反应；1979年的Witting反应；2001年的不对称催化和去年的烯烃复分解反应。2010年的金属钯催化的交叉偶联反应。我们可以发现，这六次奖都是有关构筑C-C键的合成方法学。其中格氏试剂、烯烃复分解反应和交叉偶联反应都是涉及到金属在有机化学中的应用。如果算上1963年的Ziegler–Nata催化剂，一共有三次获奖。2.为什么是Pd？Pd作为第46号元素，位于第二过渡周期，其原子半径大小适中，介于金属镍和铂之间。适度的原子尺寸与其多样的化学性质紧密相关，比如Pd配合物的稳定性以及催化性能的多样性。Pd倾向于0和+2两个氧化态：Pd(0)——Pd(II)Pd的这种性质与其原子半径是紧密相关的。原子半径较大的金属Pt倾向于形成Pt(IV)d6的八面体配合物，而原子半径较小的金属Ni则可以通过一个单电子过程形成一个Ni(I)物种。当然金属Ni的这一性质可能使其在一定程度上比金属Pd具有更多样化的应用。然而，反应活性与不稳定性总是联系在一起的。Pd配合物的相对稳定性更有利于催化反应的选择性和最大限度地避免副反应。而很多Ni催化的有机反应却往往产生复杂的副反应。因此，与Ni相比，Pd在催化有机反应时具有更高的化学和立体选择性；或者说，有机Pd配合物在参与有机反应时具有更高的稳定性。2.为什么是Pd？2.为什么是Pd？Pd是典型的后过渡金属，倾向于生成d10和d8的配合物，分别对应0和+2两个低氧化态。Pd能够形成相对稳定的16e或者更少最外层电子数的配合物，这类配位不饱和的配合物可以提供至少一对价层空轨道和被占有的非键轨道。作为LUMO的价层空轨道可以提供Lewis碱性和亲电空位，而被占有的非键轨道可以作为HOMO提供Lewis酸性和亲核空位。因此，Pd可以很容易地参与协同那些活化能较低的有机反应。事实上，Pd的配位性质正是其能够协同如此多的高选择性有机反应的关键所在。2.为什么是Pd？Pd-C键具有特殊的稳定性。金属Pd和C的Pauling电负性分别为2.2和2.5。因此，Pd-C键在一定程度上被认为是非极性的。与格式试剂和锂试剂等金属有机试剂相比，Pd-C键对羰基、酯基、氨基、醛基、硝基等极性基团和C-X键以及环氧化合物都具有相当的稳定性。2.为什么是Pd？Pd可以有效地活化一些被认为是惰性的化合物，比如羰基化合物等。醛基与Pd可以通过C-H活化生成酰基-Pd配合物，继而发生去羰化反应。而酮类则可以被Pd催化氢化还原为醇。最后，Pd的毒性很小。因此Pd可以作为催化剂大量应用在工业生产的过程中。二、金属钯配合物的基元反应Pd(0)LnPd(II)LnPd(0)价层轨道电子排布为4d10，根据18e规则，Pd(0)可以结合四个配体，生成18e配合物，与大体积配体可以生成配位不饱和的16e或14e配合物。PdL4的空间构型一般为四边形，价层轨道杂化形式为dsp2。1.氧化加成氧化加成是指金属活性物种断裂共价键从而形成两个新的化学键。相应的金属物种的氧化态升高2。2.还原消除3.插入反应金属配合物插入不饱和化学键，类似有机化学中的加成反应4.转金属化5.β-H消除配位催化原称络合催化，是指这样的催化作用：在催化过程中催化剂与反应物或反应中间物之间发生配位反应，使反应物分子在配位个体中处于有利于进一步发生反应的活化状态，从而加速反应的进行。配位催化在生产某些有机工业品的过程中起非常重要的作用。配位催化三、金属钯催化的反应类型三、金属钯催化的反应类型Wacker反应CH2=CH2+H2O+PdCl2CH3CHO+2HCl+Pd(0)Pd(0)+2CuCl2PdCl2+2CuCl2CuCl+2HCl+1/2O22CuCl2+H2OCH2=CH2+1/2O2CH3CHOPdCl2CuCl2金属钯催化的一般过程Pd催化的反应类型交叉偶联反应Suzuki反应、Stille反应、Sonogashira反应、Heck反应等醇需氧氧化反应聚合反应氢化反应。。。。。。四、交叉偶联反应XBOHROHRRRRMgBrRRSnnBUnBUnBURRRRSiCH3CH3CH3RNHRRNRR+Pd(0)SuzukiHeckKumadaStilleSonagashiraHiyamaBuchwald-HartwigX=Hal,Tosylate2010年诺贝尔化学奖：金属钯催化的交叉偶联反应研究HeckNegishiSuzukicoupling10月7日，75岁的美国珀杜大学教授根岸英一在得知自己获得诺贝尔化学奖后，用流利的日语说：“我接受了美国的教育，在这里学习、工作了五十余年，但我至今依旧拿着日本护照，我希望你们告诉国内同胞，让他们和我一起分享这个快乐！”也是在那一天，80岁的北海道大学名誉教授铃木章来到大学的会议室。他对记者说，“日本是个没有什么资源的国家，我们只有人，只能依靠人的努力获取各种知识。理科的发展对国家来说非常重要。”LRXRXR1MXMRR1RR1R1RLPdLL+2M=HorMetalOxidativeAdditionRateDeterminingStepIOSO2CF3BrClTransmetalationPdLL+2PdL+2CisTransIsomerizationLReductiveEliminationPd(0)大多数偶联反应具有相似的催化循环过程1.催化剂种类磷配体环钯催化剂N-杂环卡宾催化剂其他含氮配体负载型纳米钯催化剂配体活性中间体的溶解性催化剂的空间位阻金属中心的电子密度催化剂活性催化剂寿命和循环数光学选择性磷配体磷配体是强σ配体和弱π接受体磷原子的取代基R影响磷配体的电子密度富电子的活性金属中间体有利于发生氧化加成MRPRRAcceptor-DonorPRRR..圆锥角与磷配体的空间性质Mconeangle圆锥角越大，磷配体的空间体积越大，越容易从金属中心上离去，形成缺电子的活性中间体，有利于氧化加成PhosphineLigandsConeAngle-DonorStabilityTriphenylphosphine145o中AirStableTricyclohexylphosphine170o强AirSensitiveTri-(tert-butyl)Phosphine182o强AirSensitiveTrimesitylphosphine212o中强AirStableTrimethylphosphine118o中强AirSensitive磷配体的合成路线TwoMajorRoutes:RadicalAdditionofAlkenestoPhosphinesCH2RPH3RadicalInitiatorPH2RRPHRRadicalInitiatorRPRRRadicalInitiatorNucleophilicSubstitutionofPhosphineHalogenideswithGrignardorOrganoLithiumCompoundsR1PR2ClR1PR2R3R3MPCy2NMe2PCy2P(t-Bu)2Me2NP(t-Bu)2PCy2PCy2iPrPCy2iPriPrPriPCy2OMeOMe常见的磷配体PPP水溶性磷配体COHHHHOOHHOHHCH2OHPCy2NHOPtBu2MeO-PEG-OPCy2OMeMeOSO3NaOHNOHHOHOHOCy2PO环钯催化剂PPdo-Tolo-TolXR2PdOPR2ClR1NPdtfaNOHClPdClCl2222NPdCl2PdPCy3tfaNMe2123FeNPdCl2环钯配合物的合成N-杂环卡宾亲核性的N-杂环卡宾(NHC)配体是强σ供体，被称为“类膦配体”。2005年诺贝尔化学奖：卡宾钌催化的金属复分解反应负载型纳米钯催化剂许多偶联反应过程中起催化作用的活性中心实质是高活性的Pd纳米粒子。有序介孔材料具有较大的比表面积和规则的有序孔结构利用有序孔结构限制或调整固载催化剂的微观形貌2.Heck反应RXRRXR1RR1+Pd-(PPh3)4Base-HX+Pd-(PPh3)4Base-HX倾向于生成空间位阻小的反式偶联产物LLPdLLPd2+RXR-XLLPd2+XRR1HHHLLPd2+HXCH2R1R1RStep1:OxidativeadditionStep2:OlefinInsertionStep3:-HydrideeliminationStep4:ReductiveeliminationBase3.Suzuki反应芳基硼酸与卤代芳烃反应生成联芳基化合物该反应因具有反应条件温和、可容忍多种活性官能团、受空间位阻影响不大、产率高以及芳基硼酸经济易得且对水不敏感等优越性而成为普遍使用的Csp2-Csp2偶联方法。BOHOHXR1R2R1R2Pd-CatalystBaseScheme1含氯环肽AArB(OH)2ArB(OH)3-NaOHPd(0)Ar'-Pd-XAr'XNaOHAr'-Pd-OHAr'-Pd-ArNaX-B(OH)4Ar-Ar'ArB(OH)2+Ar'XAr-Ar'[Pd]baseSuzuki反应的机理氧化加成是整个催化循环的速度控制步骤，因此反应活性ArIArOTS~ArBrArClArFSuzuki反应的要素芳基硼酸、硼酸酯、四苯硼酸盐卤代芳烃、芳基磺酸酯[Pd]碱：KOHNaCO3K2CO3CsCO3K3PO4等反应介质：有机溶剂、离子液体、H2O反应手段：室温、加热、微波等4.Sonogashira反应Sonogashira反应是合成芳基炔烃的最有效方法之一目前，该反应已经可以在无铜条件下实现XCHRPd-CatalystCu(I)-saltR+Scheme1OOEtBrBrCHSiMe3(Ph3P)2PdCl2CuI,Et3NOOEtSiMe3SiMe3Scheme2TMSAcetyleneinSonogashiraCouplingTheUseofSilylatedAcetyleneAvoidsCouplingatBothPositionsTheSilyl-ProtectingGroupcanbeRemovedin-situ,toEnabletheSecondCouplingReactioni.e.fortheSynthesisofUn-Symmetricbis-Arylethynes7XR1CHSiMe3Pd-Cat.Cu(I)-salt,BaseSiMe3R1R2Scheme35.StilleCoupling反应金属钯催化的有机锡试剂与卤代芳烃之间的偶联SnBu3CH2X+Pd-catCH2反应顺序:AlkynylAlkenylArylAllyl~BenzylAlkyl.有机卤代物可以是卤代芳烃、卤代烯烃或酰氯