偶联反应

Workshop-偶联反应报告人：xx报告时间：2016-06-182010年诺贝尔化学奖偶联反应的基本概念广义的偶联反应：是由两个分子（molecules）进行某种化学反应而得到一个分子的过程，包括自由基偶联反应、过渡金属催化偶联反应。狭义的偶联反应：指涉及过度金属催化剂的碳-碳键形成反应。偶联反应交叉偶联自身偶联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)。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)。R'-X+R-MX'CatalystR--R'+MXX'SubstrateCouplingPartnerCouplingProductMetalHalideR=Alkyl,aryl,vinyl,allyl,alkynyl,benzylR'=Alkyl,aryl,vinyl,allyl,alkynyl,benzyl,acylX=I,Br,Cl,OTf,OTsM=Mg,Zn,Cu,Sn,Si,B,......(OrganometallicNucleophile)(OrganicElectrophile)(NiorPd......?)Cat.=Pd,Ni,othersCuFe......偶联反应通式偶联反应机理偶联反应类型偶联反应类型1、Suzuki偶联Suzuki偶联定义零价钯配合物催化下，芳基或烯基硼酸或硼酸酯与氯、溴、碘代芳烃或烯烃发生交叉偶联反应通式Suzuki偶联机理Suzuki偶联反应的催化循环过程：1）Pd(0)与卤代烃发生氧化-加成反应生成Pd(II)的络合物；2）络合物与活化的硼酸发生金属转移反应生成Pd(II)的络合物；3）进行还原-消除而生成产物和Pd(0)。1.反应对水不敏感；2.可允许多种活性官能团存在；3.可以进行通常的区域和立体选择性的反应；4.硼试剂易于合成，稳定性好；5.这类反应的无机副产物是无毒的且易于除去，可以保证其适用于实验室且可以用于工业化生产。Suzuki偶联优缺点优点缺点氯代物（特别是空间位阻大的氯代物）及一些杂环硼酸反应难以进行。有机硼试剂的合成1.1.通过Grinard试剂制备单取代芳基硼酸1.2.通过有机锂试剂制备单取代芳基硼酸1.通过金属有机试剂制备单取代芳基硼酸有机硼试剂的合成2.通过二硼烷频哪酯制备芳基硼酸酯对于分子中带有酯基、氰基、硝基、羰基等官能团的芳香卤代物来说,无法通过有机金属试剂来制备相应的芳基硼酸。1.溶剂：在极性溶剂里此偶联反应的产率可以得到很大的提高（DMSO≥DMFdioxanetoluene）。2.碱：KOAc是应用于这个反应最合适的碱，其他的如K3PO4或K2CO3这些碱性略强的碱会进一步使原料芳基卤发生自偶联反应的结果。3.催化剂：一般反应来说，Pd(dppf)Cl2一般可以得到很好的结果，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4.底物：卤代芳烃中离去集团的相对活性有如下特征：I-OTf-Br-Cl-相对的速率为：aryl–arylalkyl–aryln-propyl–n-propylethyl–ethylmethyl–methylSuzuki偶联反应影响因素Suzuki偶联反应的应用在水的存在下，加入催化剂、碱和有机溶剂，加热回流一段合理的时间完成反应，但反应体系必须全程严格控制在无氧的环境下。普通操作1.普通体系Suzuki偶联反应Suzuki偶联反应的应用2.大位阻芳基硼酸参与Suzuki偶联反应强碱水溶液如NaOH或Ba(OH)2苯和DME为溶剂将大位阻芳基硼酸转化为硼酸酯解决措施：收率低Suzuki偶联反应的应用3.含敏感功能团的芳基硼酸（酯）参与Suzuki偶联反应BCHOOO+ArXArCHOPd(PPh3)4K3PO4DMF,80℃含有易水解的基团（酯基，氰基等），可以在无水情况下反应Suzuki偶联反应的应用含有易水解的基团如酯基，又必须在有水条件下反应解决措施：一、如果底物本身含有甲酯，就将溶剂EtOH换成MeOH二、先得到羧酸产物然后再酯化3.含敏感功能团的芳基硼酸（酯）参与Suzuki偶联反应Suzuki偶联反应的应用4.杂环芳基硼酸参与Suzuki偶联反应5.烷基硼酸参与Suzuki偶联反应2、Heck反应Heck反应定义通常把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称为Heck反应反应通式特点：Heck反应具有很好的Trans选择性Heck反应机理反应共分四步：（a）氧化加成（Oxidativeaddition）:RX(R为烯基或芳基，X=ITfOBrCl)与Pd(0)L2的加成，形成PdⅡ配合物中间体；（b）配位插入（Cordination-insertion）:烯键插入Pd-R键的过程；（c）β-H的消除；（d）催化剂的再生：加碱催化使重新得到Pd(0)L2。Heck反应分类Heck反应可以分为分子间反应和分子内反应分子内Heck反应1.生成烯基取代的反应Danishefsky将其应用到全合成Taxol上分子内Heck反应2.形成季碳中心的反应Overman及其工作组首先利用Heck反应合成了手性季碳原子分子内Heck反应3.多烯大环的合成分子间Heck反应1.常规分子间Heck反应端基烯烃与卤代芳香烃发生分子间Heck反应，是研究最早的一类反应。这类反应已经成为芳烃烷基化重要反应。分子间Heck反应2.不对称分子间Heck反应3.非常用离去基团的Heck反应分子间Heck反应3.1重氮盐参与的Heck反应不需要膦催化剂和胺，条件温和，是很实用的芳基化反应。分子间Heck反应3.2酰氯参与的Heck反应一般在非极性溶剂中使用弱碱即可，无需膦催化剂，而且所需钯催化剂用量极少（0.005mol%）3.非常用离去基团的Heck反应分子间Heck反应3.非常用离去基团的Heck反应3.3将酸酐应用于Heck反应20世纪末才发现的，它的优点在于不需要任何碱的存在。分子间Heck反应1、该类反应在卤代物中，卤素的β位的碳原子上不能有SP3杂化的氢原子。主要是因为这类卤代物形成烷基钯络合物时，氢化钯的消除反应速度大于烯烃的加成反应，因此仅有消除产物。2、当有强烈供电子基团时，芳基溴参与的反应收率也很低。其主要原因是在反应中膦配体被季化与卤代物被还原。当使用P(o-tol)3作为配体时，可以有效的避免配体的季化。3、决定烯烃活性的主要因素是烯烃双键碳原子取代基的大小和数目。一般情况下，取代基越大，数目越多，反应速度越小，收率越低Tips:3、Sonogashira反应Sonogashira反应定义由Pd/Cu混合催化剂催化的末端炔烃与sp2型碳的卤化物之间的交叉偶联反应通常被称之为Sonogashira反应反应通式局限性1.在氧化剂或空气存在下，金属铜盐(CuI)可导致铜－乙炔络合物的形成，它进一步引起末端炔的自身偶联反应。2.通常使用的含磷配体大多数对水和空气敏感，并且反应中含磷配体在升温过程中容易发生分解生成磷酸盐3.现有Sonogashira交叉偶联反应的催化体系对反应底物也是有限制的，一般是芳基碘化物、溴化物和活化的芳基氯化物，Sonogashira反应Sonogashira反应研究进展几个方面：1.新配体的引入；2.新型催化体系的发现；3.底物的种类增多；NNONI+Pd(OAc)22eq.NNNOPdNNII1ArX+R'ArR'1mol%1,1mol%PPh32mol%CuI1.2eq.Et3NDMFX=Br,80oC,5-24hX=I,r.t.2-24hyield74%THFrefluxNHCOrg.Lett.2002,1411Sonogashira反应研究进展1.新配体的引入在原催化体系Pd(OAC)2，PPh3和CuI中引入配体NHC，同时改用DMF做溶剂，取得了较好的收率。RX+R'Pd(OAc)2RR'DABCOMeCN,airX=I,BrR'=2-py,n-C5H11,n-C8H17,t-Bu,CH2OAc,ArOHOHandNNDABCOJ.Org.Chem.2005,70,43931.新配体的引入Sonogashira反应研究进展以DABCO为配体,不同碘代芳烃和较活泼的溴代芳烃均可以顺利地与末端炔烃发生Sonogashira交叉偶联反应,而且醋酸钯的用量可以降低至0.0001mol%，最高催化效率可以达到720000。2.新的催化体系的发现-氢气和惰性气体环境催化体系Sonogashira反应研究进展Elangovan等人控制反应在氢气和氮气或氩气下进行，可以使副反应－末端炔的自身偶联降低到2％，较高收率地得到Sonogashira交叉偶联的产物。由于在氧化剂或空气存在下，金属铜盐(CuI)可导致铜－乙炔络合物的形成，它进一步引起末端炔的自身偶联反应。Sonogashira反应研究进展2.新的催化体系的发现-无铜的钯催化体系它是由钯催化剂和碱组成，其中常用的钯催化剂主要有Pd(OAc)2,Pd2(dba)3,PdCl2(dppf),PdCl2(PPh3)2,PdCl2(PCy)2,PdCl2,PdCl2(CH3CN)2等；常用的碱有：Cs2CO3,Bu4NOAc,TBAF,Pyrrolidine,TEA,DBACO等无铜盐助催化剂的钯催化体系的优点是对空气不敏感，仅有微量的端炔的自身偶联产物形成。Sonogashira反应研究进展3.底物的种类增多底物种类的除了芳基卤代烃外，另外还有芳基磺酸酯、乙烯型卤代烃烯丙基卤代烃、脂肪族卤代烃和酰氯等。OTsRR'3eq.+5mol%PdCl2(CH3CN)24.5eq.Cs2CO3EtCNreflux,10hRR'ligandPCy2O+R'OCHOR'3.85eq.NPN32.48eq.NfF,1.5eq.LiClDMF,0oC-r.t.,17-24hNf:-SO2(CF2)3CF3ONf+R'R'nRn=1,2,3orRn5mol%Pd(OAc)20.1eq.PPh30.1eq.CuIiPr2NH/DMF(3:2)r.t.or60oC,4-24hAngew.Chem.Int.Ed.,2006,45,4019Angew.Chem.,2003,115,6175Sonogashira反应研究进展3.底物的种类增多RClICO2EtR'RClCO2EtR'+3eq.0.1eq.Pd(PPh3)2Cl20.15eq.CuI3eq.DIPEAdioxane,r.t.,2hAr+RIR'RR'Ar10mol%[Cu(bipy)PPh3Br]2eq.K2CO3toluene,110oC,8hJ.Org.Chem.,2006,71,3615Org.Lett.,2004,6,1441Sonogashira反应研究进展3.底物的种类增多R'1.3eq.RBr+RR'NNClligand:2.5mol%[(-allyl)PdCl]25mol%ligand7.5mol%CuI,1.4eq.Cs2CO3DMF/Et2O(1:2),45oC,16hJ.Am.Chem.Soc.,2003,125,13642RClOYOROYO+1.2eq.5mol%CuI2eq.Et3NTHF,r.t.,12hJ.Org.Chem.,2003,68,10172-101744、Stille反应Stille反应定义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。反应通式该反应由JohnKennethStille和DavidMilstein于20世纪70年代首先发现，是有机合成中很重要的一个偶联反应，总数占到当下所有交叉偶联反应的一半以上。同时还被工业合成大量应用。Stille反应机理Stille等在综合了大量实验数据的基础上提出了它的反应机理，他认为，反应分四步进行：（1）氧化加成；（2）金属转移；（3）分子内异构化；（4）还原消除。Stille反应优点对底物的兼容性好；在空气中有机锡试