有机合成钯催化交叉偶联反应

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1、有机合成中钯的催化交叉偶联反应20102401046吴健华摘要：2010年诺贝尔化学奖授予给美国化学家理查德·赫克、日本化学家根岸英一和铃木章，以表彰其发现的钯催化交叉偶联反应，更有效的连接碳原子以构建复杂分子。钯催化交叉偶联反应，用于碳碳键形成的重要化学反应，因其反应条件温和，化学选择性高，副产品少，在有机合成领域中应用广泛。本文综合概述了钯催化交叉偶联反应机理与发展，并对其应用领域及发展前景作简单介绍。关键词：钯催化；交叉偶联反应；反应机理；碳碳键；有机合成；引言:碳是构成生命体的重要组成物

2、质，而这些物质是以C-C单键或双键为基础，形成各种形式的碳胳化合物，组成生命体的各个部分。而经过多年来的探究与改进，美国化学家理查德·赫克、日本化学家根岸英一及铃木章在有机合成中取得重大贡献与研究进展，发现钯催化交叉偶联反应，有效地连接碳原子，为构造更复杂的分子提供反应方法。因此于2010年，诺贝尔化学奖颁发给他们三位在有机合成中杰出并取得重大贡献的有机化学家，以表彰他们在有机合成领域中所取得的卓越成就。钯催化交叉偶联反应，作为五个被授予诺贝尔化学奖反应之一，其重要性则不言而喻。前四个反应分别是

3、Grignard反应(格氏反应，1912年)，Diels-Alder反应(迪尔斯-阿尔德反应，1950年)，Wittig反应(叶立德、维蒂斯反应，1979年)和Olefinmetathesis反应(烯烃的转位反应，2005年)。在钯催化的交叉偶联反应中，反应步骤缩短，所需条件温和，副产品少，且可使大量的官能团在进程中得以保留而不被破坏，是一种可靠、实用的工具，广泛应用于精细化学及制药工业中,对有机合成具有长久和深远的影响力,得到合成化学者的普遍应用。一、钯催化交叉偶联反应机理与发展1.格氏试剂—

4、—拉开钯催化交叉偶联反应的序幕有机合成化学所构造出来的物质大部分都是以碳胳为骨架所构建起来的，然而碳原子本身十分稳定，在化学反应中并不活泼。因此化学家们希望通过各种化学反应，来激活碳原子，使其更容易参与到反应中并与其它碳原子相连，构造更复杂的有机物。通过多年的尝试与努力，Grignard（格林尼亚）发明了有机镁试剂（即格氏试剂），并利用其活化了碳原子，成功将碳原子连接在一起。以下为利用格氏试剂所进行的烷基化反应：R-Mg-X+R1-CH2-X→R-CH2-R1+X-Mg-X（X为卤素Cl、Br、

5、I等）格氏试剂的发明，将有机合成发展向前推进了一大步，使得合成烷烃、醇、醛以及羧酸等有机物变得更加简单可行；同时，格氏试剂可用于将碳原子进行偶合来增长碳链，为大分子的合成拉开了序幕。但是，格氏反应也存在着不少的缺点：格氏试剂具有高度活泼性，会与几种不同的碳原子反应，反应无法控制，而导致反应的选择性较差，产生过多不需要副产品。因此，如何将活泼的碳原子按指定的方向进行连接，成为了化学家们迫切需要攻克的课题，也为以后的钯催化交叉偶联反应的发现拉开序幕。1.赫克反应——钯催化交叉偶联反应的基础1968年

6、，Heck（赫克）发表了一系列研究论文，报道了以钯为催化剂，首先与氯苯生成苯基氯化钯，后者再与乙烯发生加成反应，随后发生消除反应，最终将苯环连接到乙烯分子上，从而得到目标产物苯乙烯，如下反应历程：随后经过进一步的优化研究，赫克对这个反应进行了修改，扩大了该反应在有机合成中的应用范围，成为构建C-C单键最重要的反应之一，并以他自己的名字赫克对反应命名。赫克反应的机理赫克反应的反应机理如下（见右图）：反应开始，活泼的钯Pd(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R-Pd-

7、X，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。赫克反应与格氏反应相比，具有更好的化学选择性，减少反应的副产物，而且赫克反应在

8、常温下进行，反应条件温和，对于工业生产具有重要的应用价值。不过赫克反应的局限之处在于，它往往只能用于有机合成中碳碳单键的合成，在合成一些更大的分子时会显示出其缺陷及产生较多的副产物。化学家们并不满足于停留在当前的成果中，而是孜孜不倦地进一步改进钯催化交叉偶联反应。1.根岸反应——钯催化交叉偶联反应的改进1976年，日本化学家根岸英一对化学选择性更好的、用于钯催化交叉偶联反应的有机金属化合物进行研究，结果他以有机锌化合物作为反应的亲核试剂，取得突破性的进展：使用了有机锌化合物代替了在赫克反应中所用