鐵催化下格氏試劑的偶聯(lián)反應(yīng)

鐵催化下格氏試劑參與的C-C偶聯(lián)反應(yīng)姓名：徐英學(xué)號：51007008專業(yè)：應(yīng)用化學(xué)摘要：作為廉價而且低毒的金屬Fe是催化劑的理想原料，C-C偶聯(lián)反應(yīng)大多數(shù)是在Pd和Ni的絡(luò)合物催化下完成的，但是它們存在很多缺點(diǎn)。為此，人們開始關(guān)注了鐵，本文簡要的綜述了Fe催化格氏試劑參與的碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)的條件和選擇性；探討這些新奇反應(yīng)的可能機(jī)理；并介紹這些反應(yīng)在化合物合成中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鐵、格氏試劑、C-C偶聯(lián)、金屬有機(jī)1、前言格氏試劑早在1912年就已成為了媒體的焦點(diǎn)，因其與不同的物質(zhì)反應(yīng)，可以合成烴類、醇類、酮類、醛類、羧酸類及金屬有機(jī)化合物等，而深受廣大有機(jī)合成者的喜愛，已成為有機(jī)金屬化合物中重要的一類化合物，也是有機(jī)合成上的非常重要的試劑之一。今年的諾貝爾化學(xué)獎-鈀催化下的C-C交叉偶聯(lián)又將為歷史旋開新的一頁，個人認(rèn)為此反應(yīng)像格氏試劑一樣在碳-碳連接上起著不可估量的作用。自1972年發(fā)現(xiàn)了格氏試劑與鹵化烴的偶聯(lián)以來，偶聯(lián)反應(yīng)在30年來已得到了極大發(fā)展?？偟恼f來，主要的金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)可以用以下方程式表示[1](圖1-1):R-M1+R-X斗吸R~R,M-Mg(Kumada-Tamao,Corriu)[M]=Fe,Ni,Cu,Pd,Rh,.....B(Suzuki-Miyaura)Zn(Negishi) X=I,Br,Cl,OTf,.....Sn(Stille)Si(Hiyama)圖1-1這些偶聯(lián)反應(yīng)在有機(jī)合成中發(fā)揮了重大作用，比如在染料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、日用化工品、以及高聚物的制備中有著廣泛的應(yīng)用。所以，人們對過渡金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)的研究越來越多、越來越深入。但人們研究最多的過渡金屬主要是Pd和Ni的絡(luò)合物，這些催化劑的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率較高、適用性廣。同時它們也有著以下幾條缺點(diǎn)：(1)Pd的價格高昂；(2)Pd和Ni毒性較強(qiáng);⑶Pd和Ni催化的反應(yīng)常常需要昂貴而且劇毒的膦配體來參與。此外，Pd和Ni催化反應(yīng)的底物通常為碘化物和漠化物，而不是廉價且穩(wěn)定的氯化物和磺酸酯⑵。因此，對于用Pd和Ni催化的碳碳交叉偶聯(lián)在大批量的生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用上就受到了一定的限制，雖然某些反應(yīng)已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，但是還有很多地方需要改進(jìn)以實現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益。既然Pd和Ni催化的碳碳交叉偶聯(lián)存在不足，就有人會改進(jìn)此方法，只不過改進(jìn)的途徑不同而已，有的是改進(jìn)其配體以提高其反應(yīng)性能，使其能與廉價且穩(wěn)定的氯化物和磺酸酯；而有的則是選用其他的過渡金屬，因為過渡金屬由于外層電子具有部分充滿或全部充滿的d軌道，這一特征有別于其他金屬元素。又由于過渡金屬有別于其他主族金屬元素所表現(xiàn)出來的一些性質(zhì)，過渡金屬基于十八電子規(guī)則，除了形成。鍵外，還可以與碳原子、氧原子、乙烯、氨等原子或者分子配位生成過渡金屬配合物，在給電子的同時，還可以接受反饋的電子[3]。人們就開始從過渡金屬找，但是反應(yīng)往往局限在金、銀、鈀、釘、銥、錯等這些稀有的有毒的貴金屬。雖然其反應(yīng)類型比較廣泛，并且其應(yīng)用也比較成熟，但是也存在著使用價格較高，反應(yīng)條件不夠溫和等問題，因此發(fā)展鐵等廉價又環(huán)保的金屬來催化合成反應(yīng)是迫切和必要的。

不幸的是，多年來有機(jī)化學(xué)工作者一直忽視了Fe催化劑在碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)中的應(yīng)用，直到最近幾年，人們才驚訝地發(fā)現(xiàn)Fe的催化劑可以很好地催化碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)。隨后的研究表明Fe催化的碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)有著一些獨(dú)特的選擇性，因而它們可以替^d和Ni而應(yīng)用到復(fù)雜化合物的合成中。與Pd和Ni催化劑相比Fe催化劑在碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)中表現(xiàn)出更優(yōu)異的特性，主要有以下幾個方面：(1)Fe催化劑廉價低毒，在生物體內(nèi)廣泛存在(PdCl2$26.70/g、NiCl2$0.39/g、FeCl3$0.03/g)；(2)Fe催化反應(yīng)所需反應(yīng)物的濃度和溫度較Ni的低；(3)具有高度的立體專一性，反應(yīng)前后構(gòu)型保持格氏試劑中的烷基不發(fā)生異構(gòu)化；(4)能與較廉價且穩(wěn)定的氯化物和磺酸酯反應(yīng)囹。2、鐵催化下格氏試劑與鹵代烴的反應(yīng)早在1971年，Kochi等［5］發(fā)現(xiàn)Fe可以催化格氏試劑與鹵代烯烴或芳基鹵化物發(fā)生碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)，并進(jìn)行了一系列的研究提出了可能的反應(yīng)機(jī)理。但在當(dāng)時，由于Pd和Ni高效催化的研究熱潮，在接下來的一段時間內(nèi)對Fe催化的碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)的研究被忽視了，研究也就停滯了下來，在相當(dāng)一段時間內(nèi)進(jìn)展不大。當(dāng)這一熱浪過后，人們又重新注意到Fe的特殊的催化效用，并推測出Fe催化的可能機(jī)理，這些機(jī)理有的仍然沒有得到證實。1971年Kochi等囪發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e(III)可以催化1-漠丙烯與格氏試劑的C-C偶聯(lián)反應(yīng)，該反應(yīng)在THF溶劑中立體定向的完成(如圖2-1)。BrFeCl3Cat.MeMgBrBrFeCl3Cat.MeMgBr圖2-1Ni也能催化類似的反應(yīng)，但Fe作為催化劑比Ni催化的反應(yīng)能在較低的濃度和溫度下進(jìn)行，而且Fe催化的反應(yīng)是立體專一的且無格氏試劑上的烷基異構(gòu)化被觀察到，這點(diǎn)也與Ni催化的反應(yīng)形成了對比，但是此反應(yīng)需要烯基鹵代烴過量，這使得在實際操作過程中會帶來一些麻煩。一開始Kochi等提出了了Fe催化鹵代烯烴與格氏試劑反應(yīng)可能的反應(yīng)機(jī)理。Fe在參與反應(yīng)的歷程中經(jīng)歷了化合價的變化，F(xiàn)e有三價被兩分子的格氏試劑還原為一價。RMgBrFe(i)Fe(iii)Fe(i)反應(yīng)可能的歷程是:首先1-漠丙烯對Fe(I)的氧化加成，隨后格氏試劑與生成的Fe(III)化合物交換基團(tuán)，最后是連接了兩個烴基I的Fe(III)化合物進(jìn)行還原消除得到偶聯(lián)產(chǎn)物及Fe(I)完成一個循環(huán)(圖2-2)：3

3圖2-2我認(rèn)為此反應(yīng)機(jī)理可能是：鹵代烯烴與低價金屬鐵先進(jìn)行氧化加成，形成一個三元環(huán)，其動力來自烯烴的成鍵軌道供給電子和金屬的d空軌道重疊;金屬的全滿d軌道和烯烴的反鍵軌道相重疊，形成反饋鍵，成鍵的結(jié)果是烯烴的兀成鍵軌道電子云密度降低，兀*反鍵軌道電子云密度增加，烯烴被活化，有利于格氏試劑上烴基的進(jìn)攻，形成一個五元環(huán)的過渡態(tài)，在體系中氯離子的作用下很快的轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物、漠化鎂和三氯化鐵，三氯化鐵進(jìn)入下一步反應(yīng)，如此循環(huán)利用（圖2-3）。ClCl+Cl-ArMgXdisproportionationFe&ABHTrFcCU,42ArMgX-alkylhe"Ar'CAr-alkylcross-coupling[Fe]cycleA瞄傾XDErAfMgxClCl+Cl-ArMgXdisproportionationFe&ABHTrFcCU,42ArMgX-alkylhe"Ar'CAr-alkylcross-coupling[Fe]cycleA瞄傾XDErAfMgx份HE/REB,Cp-HEalkene即鐵催化劑首先與格氏試劑反應(yīng)生成低價的鐵活性中心人A上生成B，B再與芳基格氏試劑發(fā)生交換反應(yīng)生成C，緊接著臨還原消除生成目標(biāo)偶聯(lián)產(chǎn)物以及重新生成鐵活性中心A。其中中間體B,明:瞥會發(fā)生消除反應(yīng)生成烯烴，烷烴和聯(lián)苯等副產(chǎn)物，這是證明此機(jī)理的重要依才對于這個機(jī)理的看法比較局限擇，然后烷基鹵代烴氧化加成到/理涉及到金屬空配位才能使烷基鹵代烴氧化MgBr2+FeCl33Furstner在研究Fe催化芳基鹵化物與有機(jī)金屬試劑的反應(yīng)時提出了類似于Heck反應(yīng)中氧化加成和還原消除的機(jī)理，該機(jī)理的歷程（如圖2-4）：加成到Fe上，同時也涉及到8氫的消除和還原消除，根據(jù)我現(xiàn)有的知識和我對金屬有機(jī)化學(xué)的理解來，還是比較贊同這個機(jī)理的。蘇州大學(xué)的陶雪平等在研究鐵化合物催化的Kumada偶聯(lián)反應(yīng)時檢測到了由中間體B，C，D生成的8-H消除產(chǎn)物和還原消除產(chǎn)物，還有由中間體E生成的聯(lián)苯產(chǎn)物，說明此催化過程是按照氧化加成還原消除機(jī)理進(jìn)行的［6。這只能說

明在她所做的這類化合物中是按氧化加成-還原消除機(jī)理進(jìn)行的，但是不能以偏概全，因為對于機(jī)理這個東西絕對的很少，只是大家暫時認(rèn)同罷了！又有文獻(xiàn)報道格氏試劑與含取代漠基的環(huán)丙烷在鐵的催化下反應(yīng)時是按自由基機(jī)理進(jìn)行的，并提出了相應(yīng)的依據(jù)［7］（如圖2-5）。Cenversiorto3CatalystFcCCenversiorto3CatalystFcC+PCy；561%FcArMgXrecjetionAr-AkclirrinylionFe;1AlkXelectrontransferAik=alkylAr-AkclirrinylionFe;1AlkXelectrontransferAik=alkylX=halide圖2-5自由基機(jī)壬gIransmetallatinn圖2-5自由基機(jī)壬gIransmetallatinn則會生成簡單的偶聯(lián)產(chǎn)物2,而實際上并非如此，「成-還原消除機(jī)理進(jìn)行的，而是自由基機(jī)Ar-Fe-，?l'Aik'Aik'Aik'作者認(rèn)為如果是通過氧化加成途生成的是開環(huán)產(chǎn)物3,說明此反應(yīng)不是經(jīng)過理進(jìn)行的。3、鐵催化下格氏試劑與酰氯的反應(yīng)眾所周知，酰鹵與格氏試劑反應(yīng)，首先生成酮，在RMgX過量的情況下，進(jìn)一步反應(yīng)生成叔醇：如果控制RMgX的用量，在低溫下反應(yīng)，且增加酰鹵或格氏試劑的空間位阻，則可避免反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，從而得到酮［8】。這個反應(yīng)機(jī)理是被大家認(rèn)同的，但是在鐵的催化下這個反應(yīng)就不同了，其產(chǎn)物主要酮［9】，舉兩個例子進(jìn)行說明并探討一下該反應(yīng)可能的機(jī)理。+Cl0.9%FeCLMgCl+Cl0.9%FeCLMgCl Et2O,-70oC[9]『『ClRCl+R'MgX 3mo1%Fe(f ￡THF,-78oC RR'[10]

有文獻(xiàn)報道了與該反應(yīng)相似的反應(yīng)在鉆的催化下是是按自由基機(jī)理進(jìn)行的，如果按自由基機(jī)理進(jìn)行的話，就像上面的自由基反應(yīng)一樣應(yīng)該在反應(yīng)的過程中有相應(yīng)的鐵和反應(yīng)后釋放出酮，但是在這個反應(yīng)中沒有相應(yīng)的鐵和產(chǎn)物酮而是在反應(yīng)后加入水才能得到產(chǎn)物酮，由此說明該反應(yīng)不是按自由基機(jī)理進(jìn)行的而是三氯化鐵以Lweis酸的形式參與了反應(yīng)。我認(rèn)為該反應(yīng)的機(jī)理可能是：羰基先互變異夠，氧上的孤對電子與三氯化鐵上鐵的空軌道結(jié)合，然后格氏試劑釋放出來的烴基負(fù)離子進(jìn)攻碳正，使得三氯化鐵與氧的結(jié)合不是很緊（與鹵化鎂相比），因為鹵化鎂與氧能形成更穩(wěn)定的建所以鹵化鎂取代了三氯化鐵，使三氯化鐵脫落而進(jìn)入下一個循環(huán)過程，這的三氯化鐵就像碘離子一樣即容易上又容易下，從而起到催化的作用。其具體過程如下：..O 一RCl..O 一RClR-5+C~Cl?FeCl3R、?[clOO5-FeCl35-RR—Mg^ 廠Cl+Fed’ H2°.O+MgXClRC~ciOFeCl35-MgX在鐵的催化下格氏試劑還能與其他的物質(zhì)發(fā)生一些意想不到的反應(yīng)，如：（1）硫代烯烴與格氏試劑的反應(yīng)，反應(yīng)主要發(fā)生在烯烴-S鍵之間，只有很少量的發(fā)生在芳基-S鍵之間，顯示了Fe催化劑獨(dú)特的選擇性，而Pd和Ni催化時，偶聯(lián)反應(yīng)可以在烯烴-S和芳基-S間發(fā)生.。利用這種獨(dú)特的選擇性可以合成一些特定的化合物；（2）快烴衍生物與格氏試劑的反應(yīng)，該反應(yīng)進(jìn)行得很快，即使在低溫，用少量的催化劑，不需要加額外的試劑就能得到滿意的產(chǎn)率，該反應(yīng)具有立體選擇性；（3）格氏試劑的自偶聯(lián)反應(yīng)……而且這些反應(yīng)機(jī)理比較獨(dú)特甚至有的根本就沒有一個比較完整的且被大家公認(rèn)的機(jī)理，仍然只是一些推測，雖然有的反應(yīng)通過實驗證實了某個機(jī)理的真確性，但是只是針對作者做的那個實驗不能推廣應(yīng)用，所以鐵的催化下格氏試劑反應(yīng)機(jī)理的研究充滿了挑戰(zhàn)，這可能也是研究此反應(yīng)不是很多的一個原因。4、鐵的催化下格氏試劑反應(yīng)的應(yīng)用既然人們發(fā)現(xiàn)了鐵催化格氏反應(yīng)有如此多的好處就會有人應(yīng)用，這樣才能體現(xiàn)研究的價值，因為此反應(yīng)是基于C-C偶聯(lián)反應(yīng)而研究的，所以一些文獻(xiàn)報道的都是關(guān)于C-C偶聯(lián)的反應(yīng)。如武漢大學(xué)的博士生劉偉做了關(guān)于鐵催化的非活化芳烴的直接芳基化反應(yīng)，采用了廉價綠色的氧氣作為氧化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機(jī)氧化劑或無機(jī)氧化劑，首次在室溫條件下實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)綠色的鐵催化的芳基格氏試劑的高效氧化自偶聯(lián)反應(yīng)合成聯(lián)芳烴化合物Un；武漢工業(yè)大學(xué)的王剛同學(xué)做了關(guān)于銅-鐵催化的格氏試劑偶聯(lián)反應(yīng)在液晶材料合成中的應(yīng)用，通過銅、鐵催化的格氏試劑偶聯(lián)反應(yīng)合成液晶材料的應(yīng)用研究，解決了這些問題，簡化了原有的合成路線，降低了成本，提高了原子利用率和合成產(chǎn)率，減少了合成過程中的環(huán)境污染，使合成方法更為綠色化［12,還有很多類似的研究，這些都體現(xiàn)了人們開始關(guān)注并應(yīng)用廉價低毒的鐵來合成較成熟的一些C-C偶聯(lián)反應(yīng)，并都取得了一些不錯的成果，因此，關(guān)于鐵的催化下格氏試劑反應(yīng)的研究很有前景。到現(xiàn)在為止，使用Fe能夠催化的碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)類型主要為鹵素、氰基、OTs等取代的烴（烷、烯與芳香化合物）與有機(jī)金屬化合物的反應(yīng)，其中對鹵代烴與格氏試劑的反應(yīng)研究最多。這些反應(yīng)大多能在溫和的條件下得到較高產(chǎn)率的產(chǎn)物，而且具有立體化學(xué)選擇性。并提出了一些新的機(jī)理，雖然有些機(jī)理沒有被證實，但是這些推斷為以后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。對Fe催化的碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)的研究雖然已經(jīng)有了很大的發(fā)展，得到了很多成果，但比起Pd催化的碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)的研究內(nèi)容深度和廣度還有相當(dāng)差距。Pd能夠催化而Fe不能催化或者未加以研究的C-C偶聯(lián)反應(yīng)類型尚有很多，因此，還需要對此感興趣的研究者投入大量的精力來研究