CH ActivationPPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1CH Activation當(dāng)今碳?xì)浠罨I(lǐng)域的大牛余金權(quán)余金權(quán)斯克利普斯研究所斯克利普斯研究所 Scripps余金權(quán)教授是國際上C-H鍵活化領(lǐng)域最為活躍的華人學(xué)者。他的研究領(lǐng)域主要為：C-H鍵活化研究及其在新藥研發(fā)和天然產(chǎn)物全合成領(lǐng)域的應(yīng)用。他在惰性C-H鍵的選擇性活化和重組研究方面開展了非常原創(chuàng)的工作，例如弱配位作用促進(jìn)的金屬鈀催化的C-H鍵活化、遠(yuǎn)程C-H鍵活化和不對稱催化的C-H鍵活化等。余金權(quán)教授已在Nature、Science、Nature Chemistry、JACS和ACIE等國際著名期刊上發(fā)表100多篇學(xué)術(shù)論文，并獲得了Elias J. Corey Award（2014）

2、、Raymond and Beverly Sackler Prize in the Physical Sciences（2013）、ACS Cope Scholar Award（2012）、Mukaiyama Award（2012）等諸多國際著名獎項(xiàng).第1頁/共52頁當(dāng)今碳?xì)浠罨I(lǐng)域的大牛施章杰施章杰北京大學(xué)北京大學(xué) 施章杰博士的課題組研究致力于過渡金屬催化的惰性化學(xué)鍵活化（C-H activation & C-O activation &）、小分子活化以及氮?dú)夤潭ǖ难芯抗ぷ鳌Ｔ谶^去的十幾年中，經(jīng)典的貴金屬催化的C-H活化已取得很大進(jìn)展,施章杰博士課題組在前人工作的基礎(chǔ)上對鐵催

3、化C-H活化構(gòu)建C-C鍵方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，先后實(shí)現(xiàn)了鐵對芐位sp3C-H的活化，構(gòu)建不同類型的C-C鍵，部分工作已經(jīng)發(fā)表 (Angew. Chem. Int. Ed. 2009 48 3817-3820 Chem. Commun. 2009 6002-6004.)。在相關(guān)研究中，該課題組還發(fā)現(xiàn)并報道了鐵催化劑可以徹底改變格式試劑與酯類化合物的反應(yīng)路徑，讓化學(xué)家們重新審視“古老”的格式試劑的反應(yīng)性。此項(xiàng)成果發(fā)表后受到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注(J. Am. Chem. Soc. 2009 131 14656-14657.)。 第2頁/共52頁經(jīng)典的交叉偶聯(lián)反應(yīng)經(jīng)典的交叉偶聯(lián)反應(yīng)1 通過通過C

4、-H鍵活化實(shí)現(xiàn)交叉偶聯(lián)鍵活化實(shí)現(xiàn)交叉偶聯(lián)2第3頁/共52頁v 這三名科學(xué)家因在有機(jī)合成領(lǐng)域中鈀催化交叉偶這三名科學(xué)家因在有機(jī)合成領(lǐng)域中鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)方面的卓越研究獲獎。這一成果廣泛應(yīng)用聯(lián)反應(yīng)方面的卓越研究獲獎。這一成果廣泛應(yīng)用于制藥、電子工業(yè)和先進(jìn)材料等領(lǐng)域，可以使人于制藥、電子工業(yè)和先進(jìn)材料等領(lǐng)域，可以使人類造出復(fù)雜的有機(jī)分子。類造出復(fù)雜的有機(jī)分子。 v 2010年年10月月6日，瑞典皇日，瑞典皇家科學(xué)院宣布家科學(xué)院宣布，美國科學(xué)家，美國科學(xué)家理查德理查德赫克和赫克和日本科學(xué)家根日本科學(xué)家根岸榮一及鈴木岸榮一及鈴木章共同獲得今章共同獲得今年的諾貝爾化年的諾貝爾化學(xué)獎。學(xué)獎。 1. 經(jīng)典的

5、交叉偶聯(lián)反應(yīng)經(jīng)典的交叉偶聯(lián)反應(yīng)第4頁/共52頁交叉交叉偶聯(lián)偶聯(lián)Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng) Sonogashira 偶聯(lián)反應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng)Heck偶聯(lián)反應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng) Negishi偶聯(lián)反應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng) Hiyama偶聯(lián)反應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng)Stille偶聯(lián)反應(yīng)偶聯(lián)反應(yīng) 第5頁/共52頁缺點(diǎn)及不足缺點(diǎn)及不足有機(jī)鹵化物及擬鹵化物在自然界中并非廣泛存在，制備成本相對價昂貴。有機(jī)鹵化物及擬鹵化物在自然界中并非廣泛存在，制備成本相對價昂貴。此類反應(yīng)由于兩個反應(yīng)物一般是有機(jī)鹵化物和有機(jī)金屬化合物，產(chǎn)生的副產(chǎn)物較多，不利于環(huán)境友好。此類反應(yīng)由于兩個反應(yīng)物一般是有機(jī)鹵化物和有機(jī)金屬化合物，產(chǎn)生的副產(chǎn)物較多，不利于環(huán)境友好。第6頁/

6、共52頁2. 通過通過C-H鍵活化實(shí)現(xiàn)交叉偶鍵活化實(shí)現(xiàn)交叉偶聯(lián)聯(lián)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例選擇選擇C-H鍵的理由及可行性分析鍵的理由及可行性分析C-H活化反應(yīng)的基本類型活化反應(yīng)的基本類型C-H活化反應(yīng)活化反應(yīng)反應(yīng)體系介紹反應(yīng)體系介紹C-H活化反應(yīng)活化反應(yīng)反應(yīng)機(jī)理剖析反應(yīng)機(jī)理剖析第7頁/共52頁選擇選擇C-H鍵的理由鍵的理由及可行性分析及可行性分析第8頁/共52頁CHHHHHHHC-H ActivationTransition-Metal CatalysisHydrocarbon -Abundant Energy IssueEnergy Source第9頁/共52頁物質(zhì)物質(zhì)甲烷甲烷乙烯乙烯乙炔乙炔苯苯鍵能

7、鍵能（kJ/mol）439.3 415.3564.4469.9幾種物質(zhì)C-H鍵的鍵能第10頁/共52頁化學(xué)鍵化學(xué)鍵CCl CBr CN CO 鍵能鍵能（kJ/mol）328276305326化學(xué)鍵化學(xué)鍵CP CS CSi CB 鍵能鍵能（kJ/mol）305272347393第11頁/共52頁NHAcHNHAcHHO3SNHAcNO2NHAcNH2NHAcN2NHAcXNHAcAr磺化 硝化去磺化還原重氮化鹵化偶聯(lián)傳統(tǒng)過程傳統(tǒng)過程Pd(), OxidantArB(OH)2 or ArSi(OMe)3直接芳基化直接芳基化第12頁/共52頁 R1-H + R2-X Cat.baseR1-R2R1-

8、H + R2-HCat.oxidantR1-R2R1-H + R2-M Cat. oxidantR1-R2v C-H鍵活化反應(yīng)的基本類型鍵活化反應(yīng)的基本類型 第13頁/共52頁反應(yīng)體系反應(yīng)體系 C-H Activation催化劑催化劑 氧化劑氧化劑 配體配體 堿堿 溶劑溶劑 其他添加劑其他添加劑 第14頁/共52頁第15頁/共52頁第16頁/共52頁第17頁/共52頁第18頁/共52頁第19頁/共52頁P(yáng)PPPPh2PPh2PPh2PPh2i-Pri-Pri-PrPCy2第20頁/共52頁第21頁/共52頁甲苯甲苯二氧六環(huán)二氧六環(huán)DMFDMACDCEMeCN110.6101.1152.8165

9、83.782t-BuOHDMSONMPTHF乙酸乙酸鄰二甲苯鄰二甲苯82.518920366117144DMAC : N,N-dimethylacetamide(N,N-二甲基乙酰胺 ); DCE : 1,2-dichloroethane(1,2-二氯乙烷)NMP : N-methyl-2-pyrrolidinone(N-甲基-2-吡咯烷酮)第22頁/共52頁第23頁/共52頁 R1-H + R2-X Cat.baseR1-R2芳基鹵化物對Pd(0) 的氧化加成往往是Mizoroki-Heck 反應(yīng)、交叉偶聯(lián)反應(yīng)及Buchwald-Hartwig 胺化等反應(yīng)的啟動步驟，同樣可以引入到C-H鍵官

10、能團(tuán)化過程中來。第24頁/共52頁由芳基鹵化物對Pd(0) 氧化加成得到鈀() 中間體，由其作為親電試劑，進(jìn)攻富電子的C-H鍵發(fā)生親電取代反應(yīng)，在堿的作用下脫去質(zhì)子，最后經(jīng)還原消除得到最終產(chǎn)物并 再生Pd (0 ) 催化劑，完成催化循環(huán)C-H鍵與有機(jī)鹵化物( 或擬鹵化物) 的偶聯(lián)機(jī)理第25頁/共52頁 sp2 C-H鍵與有機(jī)鹵化物( 或擬鹵化物) 的偶聯(lián)Akita Y,Ohta A. Heterocycles,1982,19:329-331C.-H. Park, V. Ryabova, I. V. Seregin, A.W. Sromek, V. Gevorgyan, Org. Lett. 2

11、004, 6, 1159第26頁/共52頁P(yáng)d 催化新戊酸促進(jìn)芳烴的芳基化反應(yīng)機(jī)理M. Lafrance, K. Fagnou, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128,16496第27頁/共52頁 sp3C-H鍵與芳基鹵化物的偶聯(lián)Baudoin O,Herrbach A,Gueritte F. Angew. Chem. Int. Ed. ,2003，42: 57365740Lafrance M,Gorelsky S I,Fagnou K. J. Am. Chem. Soc. ,2007,129: 1457014571第28頁/共52頁 spC-H鍵與芳基鹵化物的偶聯(lián)Y. Gu

12、, X. Wang, Tetrahedron Lett. 2009, 50, 763766S. H. Kim, S. Chang, Org. Lett. 2010, 12, 18681871第29頁/共52頁R1-H + R2-HCat.oxidantR1-R2由于C-H鍵與有機(jī)鹵化物( 或擬鹵化物) 偶聯(lián)反應(yīng)過程中會生成當(dāng)量的副產(chǎn)物酸，所以需要加入當(dāng)量的堿中和;相比之下，Pd 催化通過兩分子C-H鍵直接脫氫偶聯(lián)實(shí)現(xiàn)C-H鍵的官能團(tuán)化過程，顯然是更符合原子經(jīng)濟(jì)性的，只需要加入一定量的氧化劑，就可避免這一缺陷，因而很早就得到了研究。第30頁/共52頁I. Moritani, Y. Fujiwar

13、a, Tetrahedron Lett. 1967, 8, 1119第31頁/共52頁鈀() 物種對苯環(huán)C-H鍵親電進(jìn)攻，脫去質(zhì)子，形成含C-Pd 鍵的中間體烯烴插入-H 消除，得到產(chǎn)物，并生成Pd(0)Pd(0)經(jīng)氧化劑氧化，重新生成Pd()，完成催化循環(huán)第32頁/共52頁Grimster N P,Gauntlett C,Godfrey C R A,Gaunt M J. Angew. Chem. Int. Ed. ,2005，44: 31253129第33頁/共52頁Y.-H. Zhang, B.-F. Shi, J.-Q. Yu, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131,5

14、027第34頁/共52頁Shiotani A,Itatani H. Angew. Chem. Int. Ed. ,1974,13:471472Iida H,Yuasa Y, Kibayashi C. J. Org.Chem.,1980,45: 29382942Liegault B， Lee D,Huestis M P,Stuart D R,Fagnou K. J. Org. Chem.,2008,73: 50225028第35頁/共52頁Li R,Jiang L,Lu W. Organometallics,2006,25: 59735975第36頁/共52頁Cho S H,Hwang S J,

15、Chang S. J. Am. Chem. Soc. ,2008,130: 92549256第37頁/共52頁R1-H + R2-M Cat. oxidantR1-R2第38頁/共52頁:Pd() 催化劑首先與烷基或芳基CH鍵發(fā)生親電取代反應(yīng)，生成烷基鈀() 或芳基鈀() 物種烷基鈀() 或芳基鈀() 物種再與金屬有機(jī)試劑發(fā)生轉(zhuǎn)金屬化反應(yīng)經(jīng)還原消除得到交叉偶聯(lián)產(chǎn)物Pd(0)經(jīng)氧化劑氧化，重新生成Pd()，完成催化循環(huán)第39頁/共52頁第40頁/共52頁過渡金屬催化有機(jī)錫試劑與有機(jī)鹵化物( 或擬鹵化物) 的Stille 偶聯(lián)反應(yīng)已得到廣泛的研究。一般地，與錫原子相連的4 個有機(jī)基團(tuán)僅有1 個轉(zhuǎn)移

16、至偶聯(lián)產(chǎn)物中，其他3 個基團(tuán)則扮演了“旁觀者”的角色。盡管由于有機(jī)錫試劑的高毒性限制了其在某些方面的應(yīng)用，但由于其良好的官能團(tuán)容忍性、適中的反應(yīng)活性與溫和的反應(yīng)條件，仍然廣泛應(yīng)用于合成中。第41頁/共52頁Kawai H,Kobayashi Y,Oi S,Inoue Y. Chem. Commun. ,2008，14641466S. Oi, S. Fukita, Y. Inoue, Chem. Commun. 1998, 2439第42頁/共52頁Chen X,Li J J,Hao X S,Goodhue C E,Yu J Q. J. Am.Chem. Soc. ，2006，128: 7879

17、第43頁/共52頁由于碳原子的電負(fù)性僅略高于硅原子，C-Si鍵極性較低，因而與其他金屬有機(jī)試劑相比，有機(jī)硅試劑參與的Hiyama 反應(yīng)活性相對較低，官能團(tuán)容忍性較好。通常需要加入氟化物活化C-Si鍵，以促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。S. Yang, B. Li, X.Wan, Z. Shi, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6066第44頁/共52頁有機(jī)硼化合物由于其價廉易得、對氧氣和濕氣穩(wěn)定、毒性低、操作容易，因而在有機(jī)合成中應(yīng)用廣泛。近年來，Pd 催化的包括硼酸、硼酸酐、硼酸酯以及三氟硼酸鹽等多種有機(jī)硼化合物參與的Suzuki-Miyaura 交叉偶聯(lián)反應(yīng)的研究已得到了極大的發(fā)展。第45頁/共52頁Chen X,Goodhue C E,Yu J Q. J. Am. Chem. Soc.,2006,128: 1263412635第46頁/共52