过渡金属催化的CH键活化CC键偶联反应.doc
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1、过渡金属催化的 C-H 键活化/C-C 键偶联反应杨晓燕1,2,赖文勇1,黄维1*510(1. 有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地,南京邮电大学,信息材料与纳米技术研究院, 南京210023;2. 内蒙古大学,化学化工学院,呼和浩特 010021)摘要:过渡金属催化 C-H 键活化/C-C 键偶联反应是当前有机合成的热点之一,已经成为有机合成中构建 C-C 键的强大工具,能够高选择性、高效合成具有特殊精细骨架结构的化合物。目前最常用的催化剂是钯(Pd)、钌(Ru)和铑(Rh)络合物,此外,廉价、易得、具有独特催化性能的 Fe、Co 等络合物也引起了越来越多的关注。对过渡金属催化 C-H
2、键活化/C-C 键偶联反应的最新研究进展进行了综述。关键词:C-H键活化、C-C键偶联反应、过渡金属中图分类号:O643.32; TQ426.815Transition Metal Catalyzed C-H Activation/C-C CouplingReactionsYANG Xiao-Yan1,2, LAI Wen-Yong1, HUANG Wei1202530(1. Key Laboratory for Organic Electronics & Information Displays (KLOEID) and Institute of AdvancedMaterials, Nan
3、jing University of Posts & Telecommunications, 9 Wenyuan Road, Nanjing 210023, China;2. Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China)Abstract: Transition metal catalyzed C-H activation/C-C coupling reactions, among the most popularprocesses in modern organic synthesis, have emerged as a powerful
4、tool for making C-C bonds,allowing access to unconventional and more elaborated structural backbones with high selectivity andefficiency. In the field of C-C bond formation via C-H activation, several catalytic reactions haverecently been developed, mainly involving complexes of low-valent transitio
5、n metals such as palladium(Pd), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh). Futhermore, the first-row transition metal catalysts, such asiron (Fe) and cobalt (Co) complexes, have drawn much attention recently as a result of their readyavailability, low cost, relatively low toxicity, and unique catalytic abili
6、ties. The recent advances madein this field have been briefly summrized.Key words:C-H activation; C-C coupling reactions; transition metal0 引言过渡金属催化的 C-H 键活化/C-C 键偶联反应因其原子经济性和高合成效率而备受有机3540合成工作者的关注,已经成为有机合成中构建 C-C 键的强大工具,能够高选择性、高效合成具有特殊精细骨架结构的化合物。1-4通常认为只有极其惰性的烷烃需要活化,事实上,对于 C-H 酸性底物,将通常的碱性反应条件改为过渡金属
7、催化的合成方法会更为有效。5使用强有机金属碱活化弱酸性 C-H 键时涉及到按照化学计量的金属化反应,若使用催化剂就能在温和、中性条件下催化偶联反应,对于在常规条件下缺乏选择性,或者对碱敏感的官能团,这种方法尤为重要。基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20093223120004)、国家自然科学基金(20904024,61106036)、江苏省自然科学基金(BK2011760)、南京邮电大学攀登计划(NY210016, NY211124)和江苏省青蓝工程项目资助。作者简介:杨晓燕(1987),女,有机光电子学通信联系人:赖文勇(1980),男,教授,有机光电子学. E-mail:
8、 iamwylai-1-过渡金属催化的 C-H 键活化/C-C 键偶联反应的实例越来越多,经济、高效和雅致的制备方法得到了发展,最近已经发展了几个催化反应,主要涉及到低价过渡金属,比如 Pd,Rh 和 Ru。6目前钯催化的偶联反应技术已在全球科研、医药生产和电子工业等领域得到广泛的应用。此外,廉价、易得、具有独特催化性能的 Fe、Co 络合物也引起了越来越多的关4550注。由于一个有机化合物分子中通常含有多个键解离能相近的 C-H 键,如何实现 C-H 键的选择性活化及功能化就成了非常具有挑战性的问题。一般地,可以从三方面着手以实现对C-H 键选择性活化及功能化:底物定位基、底物电子效应以及催
9、化剂。本文综述了最近几年报道的过渡金属催化 C-H 键活化/C-C 键偶联的反应,主要涉及到三类反应类型:C-H 键与芳基或烷基卤化物(或拟卤化物)的交叉偶联反应、C-H 键之间的交叉脱氢偶联反应、C-H 键与金属有机化合物的交叉偶联反应。7第一部分中,讲到 C(sp2)-H键的活化,重点讲述 C(sp2)-H 的烯基化和芳基化。第二部分中,讲到 C(sp3)-H 键的活化。第三部分简要介绍了 C(sp)-H 键的活化。第四部分为结语。1 C(sp2)-H 键的功能化551.1C(sp2)-H 键与有机卤化物(或拟卤化物)的偶联反应这一部分主要涉及到 Pd 催化的卤代芳烃、卤代烷烃与烯烃的 H
10、eck 偶联反应,反应通式如图 1 所示。HPdRRX +Base+Base-HXR = 1-alkenyl, allylic, benzyl, 1-alkynyl, arylX = OTf, Br, I, I +Ph, SO2Cl, COCl, etc.图 1经典的 Heck 反应Fig. 1 The classic Heck reaction60过去 30 年报道的芳溴、芳碘与烯烃的 Heck 反应绝大部分具有相当好的反应活性和区域选择性。对于便宜易得、广泛使用的芳氯,虽然发展了一些 Heck 反应催化剂,包括带富电子有机磷配体的 Pd 络合物、N-杂环卡宾(NHC)、Pd 螯合物和 Pd
11、 纳米颗粒,但是这类催化剂仅适用于中性和活化的烯烃,比如,苯乙烯和丙烯酸酯。对于富电子或惰性烯烃,比65如烯醇醚和烯酰胺,通常情况下活性不高,得到 -和 -芳基化的混合产物,如图 2 所示。RCl+ORPd-LigandROR+ ROR图 2 Pd 催化下烯醇醚与芳氯发生 Heck 芳基化反应Fig. 2 Pd-catalyzed Heck arylation of enol ethers with aryl chlorides7075人们发现富电子的烯烃、带双齿配体的 Pd 催化剂、氢键给体有利于 -芳基化产物的形成。Xiao 等使用 Pd(dppp)(dppp=双(二苯基膦)丙烷)为催化剂
12、,HNEt3BF4为氢键给体添加剂,发现丁基乙烯醚能与芳氯发生 -芳基化反应(图 3 (a))。8Larhed 等使用富电子的双(二异丙基膦)丙烷(dippp)为配体,在水中也能发生类似反应(图 3 (b))。9然而,这两个催化体系只适用于带有拉电子取代基的芳氯,用于电中性或富电子芳氯时效果却不好。Xiao 等发现以乙二醇为溶剂时,Pd(dppp)能催化富电子烯烃与富电子或缺电子的芳氯发生 Heck 芳基化反应,从而有效地解决了这一问题(图 3 (c))。10-2-(a)RCl+1) Pd(OAc) 2 (4 mol %), dppp (8 mol %)Et3N (1.5 equiv), HN
13、Et 3BF4 (1.5 equiv)DMF, 135, 36 hOBu2) H3O-22RORCOCH3CNCO2CH3Yield (%)958390ORYield (%)(b)RCl+O1) Pd(dippp)2 (5 mol %), K2CO3 (3.0 equiv)OH2) H3O RCOCH3COPhOCH3CH389463315(c)RCl+OBu1) Pd(OAc)2 (1 mol %)4-MeO-dppp (1.5 mol %)KOH (1.5 equiv), EG, 145 , 10 h2) H3ORORCOCH3CNOCH 3Yield(%)907388CH387图 3 P
14、d 催化下烯醇醚与芳氯发生 -芳基化反应Fig. 3 Pd-catalyzed -arylation of enol ethers with aryl chlorides80Skrydstrup 等以 Ni(COD)2 和双(二苯基膦)二茂铁(dppf)为催化体系,在三级胺 Cy2NMe存在下,实现了芳基三氟甲磺酸酯与烷基乙烯醚的区域选择性偶联(图 4)。11总体来说,对于富电子和缺电子芳烃,反应具有好的官能团兼容性,得到的芳基烯基醚经 6 M HCl 室温下处理 1 h,得到芳基甲基酮,产率较高。85ROTf+On-Bu1) Ni(COD)2 (5 mol %), dppf (5 mol %
15、)Cy 2NMe (3 equiv), dioxane, 100 2) HCl (6 M), rt, 1 hRO图 4 Ni 催化下芳基三氟甲磺酸酯与丁基乙烯醚发生 Heck 反应Fig. 4 Ni-catalyzed Heck reaction of aryl triflate and butyl vinyl ether此外,Beller 等报道了以芳卤或芳基三氟甲磺酸酯、苯乙烯、CO 等三种成分为反应物9095的羰基化 Heck 反应,用于制备查耳酮。12随后进一步优化条件,制备了 1-芳基-3-烷氧基丙酮。13目前,卤代烷烃与烯烃的 Heck 反应例子不多,这是由于通常情况下,sp3 杂
16、化的卤代烷不容易与低价过渡金属发生氧化加成,此外,反应中烷基 Pd 中间体容易发生 -H 消除。Fu等曾于 2007 年报道了 Pd 催化分子内烷基-Heck 反应,但是这一反应仅限于使用伯卤代烷和端基烯烃作为底物合成环戊烯。14Alexanian 等报道了在 Pd(PPh3)4 催化下碘代烷与烯烃发生分子内 Heck 反应,反应适用于一级、二级卤代烷以及取代烯烃(图 5 (a))。初步研究表明,该反应也适用于分子间的烷基-Heck 反应(图 5 (b))。15(a)4 (MeO)C6H4IPd(PPh3)4 (10 mol %)i-Pr 2EtN (2 equiv)4 (MeO)C 6H4C
17、O (50 atm)PhMe, 130 , 12 hPd(PPh 3)4 (10 mol %)Cy2MeN (2 equiv )86% yield(b)R1.0 equiv+I2.0 equivPhH, 130 , 4 hRR=HR = C(O)MeR = CH2OHyield: 55%60%51%图 5 Pd 催化下的分子内(a)和分子间(b)烷基-Heck 反应100Fig. 5 Intramolecular (a) and intermolecular (b) variant of the palladium-catalyzed alkyl-Heck-type reaction也可以选择
18、其它过渡金属催化剂实现烷基-Heck 反应。已经报道有 Co 催化剂和二茂钛-3-H2O, 130 , MW 90 min催化剂,但是反应中使用超出化学计量的高反应性的烷基镁试剂作为碱,也限制了反应的潜在应用。Lei 等报道了 Ni 催化的二级、三级 -羰基卤代烷与烯烃的偶联反应以构建 -烯基105羰基化合物(图 6)。16取代的苯乙烯和二芳基乙烯均适用于这一反应。ArR1+BrR 2R3OOEtNi(PPh3) 4 (5 mol %)dppp (6 mol %)K3PO4 (2 equiv)toluene, 60-100 , 16 hArR1R2R 3OOEtR 1 = H or Ar, R
19、 2 = alkyl, R 3 = H or CH 3图 6 Ni 催化下二级和三级 -羰基溴代烷发生 Heck 烯基化反应Fig. 6 Ni-catalyzed Heck-type alkenylation to secondary and tertiary -carbonyl alkyl bromides110Carreira 等以 1 或 2 自由基前驱体作为催化剂,在可见光照射下,以有机胺为碱,烷基碘与烯烃发生分子内 Heck 偶联反应(图 7)。17反应 16 h 后,底物转化率达到 95%,得到环化产物和消除产物的比值为 5:1。RBnO 2CIcatalyst (15 mol %
20、) BnO2CiPr 2NEt (1.5 equiv)blue LEDsCH3CN, RT, 16 hBnO 2C+MeMeN OCoNO H ONHONNMeMe115Bn = benzyl图 7 Co 催化下的 Heck 型环化反应Fig. 7 Co-catalyzed Heck-type cyclization1: R = SnPh2: R = i Pr吡啶环是最重要的杂环之一,在很多的天然产物、药物、材料、配体中都存在。通过吡啶 C-H 键功能化实现含吡啶化合物的短路径制备引起了人们的关注。Yu 等报道了 Pd 催化含酰胺定位基的吡啶 C(3)-H 芳基化,但是底物范围受限(图 8 (
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