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钯催化下的交叉偶联反应
摘要
:
钯催化交叉偶联反应是一类用于碳碳键形成的重要化学反应，
在有机合成中应用十分
广泛。本文综合概述了钯催化交叉偶联反应的原理和发展
，简单介绍了它的应用领域。
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
引言
2
010
年
10
月
6
日，瑞典皇家科学院决定授予美国特拉华大学理查德
-
赫克
(Richard F.
Heck),
普渡大学根岸荣一
(Ei-ichi
Negishi)
和日本北海道大学的铃木彰
(Akira S
uzuki)
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。
碳是构筑有机物和生命的基本材料，通过在“碳骨架”上嫁
接其他功能性“化学模块”
，
有机物和生命体方才表现出千变万
化的特质。
化学家，
特别是有机化学家们要做的，
就是以
人工手段，
将各种物质分子以碳化合物“裁剪
”
、
“缝合”
，创造出自然界所不存在
的新物质。
但是要“裁剪”碳并不简单。碳原子非常稳定，它
们之间要联接起来，必须要找到一种让碳
原子活跃起来的方法。
2010
年度的三位获奖化学家，
就是利用钯来作为催化剂。<
/p>
钯催化剂的
作用，
先是相当于一把剪刀，
剪断碳化学键，
然后再如针线一般，
把
新的功能性基团
“缝制”
到剪开的碳骨架上。
< br>
1
、早期研究
碳元素是构成生命的主要物质，
这些物质是以
C-C
键（单键或双键）为基础，
形成各种
形
式的碳胳化合物。
人们要想制备新药物、新材料、生物分子和了解生命的过程，
最先的方
法就是合成一系列碳胳化合物。
可见，
以简单的有机原料为基础，
通过化学反应合成更复杂
的化合物（增长碳链）
，是十分重要的，这种重要性体现在过去历年授予的
诺贝尔化学奖：
格利雅试剂
(Grignard
reagent,)
维狄反应
(Wittig
reaction, 1979
年
)
，
烯烃的转位反应
(Olefin metathesis, 2005
< br>年
)
。
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
1
[1]
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, Negishi
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
)
。
< br>与此同时还避免了过多不必要副产物的
生成。
2
、反应原理
上世纪二十年代中期以来，
过渡金属化合物在有机化学反应中扮演了重要的角色，
这是
因为过渡金属能够活化有机化合物，
通
过这种活化作用能够催化生成新的化学键。
早期的研
究是用钯氧
化催化乙烯生成乙醛，
在深入研究钯催化的羰基化的反应中，
人
们还知道钯能促
使
C-C
单键的生成。
钯作为催化剂的原理是：
两分子的反
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。
这种反应原理有两种
类型，用方程式表示
为反应（
1
）和（
2
< br>）
。
[2
】
2.1
赫克
(Heck)
在烯烃的交叉偶联反应中的开创性工作
1968
年以来，
赫克发表了一系列的文章报
导了用甲基或苯基钯的卤化物
(RPdX)
在室温
下与烯烃反应，前者加到烯烃上消除钯后得到苯乙烯
(
反应式
3)
。
2
[3
】
随后
，
赫克对这个反应的催化剂做了修改，
并提出了它的反应机理：
反应开始，
活泼的钯
(0)
催化剂与卤代烃发生被称为氧化－加成的反应，在这步反应中，生成了
RP
dX
，钯的氧化态
形式上从
(0)
转化为
(
Ⅱ
)
，
也就意味着生成了
Pd-C
键；第二步，
烯烃与钯配位，
此时烯烃和
R
基团同时与钯连接，这样就使它们能够相互发生反应；第三步，
R
基团迁移到烯烃的碳原
子上，而钯同时与烯烃
的另一个碳原子相连，这一步称为迁移－插入，结果生成了
C-C
键；
第四步，
R
替换了底物烯烃上的
一个氢原子，即通过消除烯烃的
β
－
H
得到了一个新的取代
烯烃，
同时还生成
了
HPdX
，
它随即失去
HX
得到
Pd(0)
，
进入另一次催化循环
（见图示
1
）
。
[4]
图示
1.
赫克反应的机理
2.2
根岸
(Negishi)
发展了温和的交叉偶联反应
上世纪四十年代以来，很多研究者在交叉偶联反应中涉及了催
化剂量的镍、钴和铁盐
催化格利雅试剂与卤代烃反应，
还有尝试
使用有机锂化合物，
但是早期的这些反应试剂，
受
到某些反应物的官能团限制，
产物还伴随着低的化学选择性，
因此，
交叉偶联反应中使用这
些试剂不是最佳的选择。
1976
年，岸根开始对钯催化下，
与卤代烃发生反应的高化学选择性的有机金属化合物
进行了一系列的研究，
1977
年，有了突破性的进展，有机金属锌化合物能得到高收率的产
物，
而且反应条件温和而产物有较高的选择性，
与使用格利雅试剂或金属锂化合物相比，
能
适应大范围的官能
团，这种试剂成为偶联反应中的一种新方法，称为岸根反应
(Negishi
’
s
reaction)
，见反应式（
4
）
。
3
[5]
2
.3
铃木
(Suzuki)
发现了一个
实用的方法
1979
年，铃木研究组
在两篇文章中报导了有机硼化合物在碱的作用下，能与乙烯基或
芳基卤化物在钯的催化作
用下发生偶联反应，碱活化了有机硼试剂，形成的中间体促进了
R
从硼迁移到钯，
这个反应后来被扩展到与烷基的反应。
岸根当
时也注意到这个反应，
但他只
是作为一个单独的例子在文章中提
到。见反应式（
5
）
。另外一个重大的
发现，就是芳基
硼酸也能发生这个反应，在后来的例子中发现活性更高而更弱的碱也能参
与反应。
稳定而亲核性较弱的硼试剂能使这个反应更实用，<
/p>
它无毒，
在较温和的反应条件下进行，
使
它在制药工业中广为流行，被称为铃木反应。
[6]
2.4
根岸
(Negishi)
和铃木
(Suzuki)
反应的机理
根岸和铃木反
应反应各自发展了生成
C-C
单键的方法，其反应机理用图示<
/p>
2
表示
。
[7]
图示
2
岸根反应和铃木反应的机理
4
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