過渡金屬催化的氰化反應(yīng)研究進(jìn)展

過渡金屬催化的氰化反應(yīng)研究進(jìn)展

有機(jī)氰化物是合成過程中非常重要的顆粒。它可以很容易轉(zhuǎn)化為其他有用的官能團(tuán)化合物，如醇、酮、脂肪酸、胺和丙烯酸。引入碳-碳鍵是合成有機(jī)化合物的最基本方法之一。眾所周知，脂肪族磺酸和氰基離子的親水反應(yīng)是制備脂肪族氰化物的經(jīng)典方法。氰基離子對羥基化合物和亞胺的親水反應(yīng)是合成基氰化物的重要方法。此外，桑德姆反應(yīng)和羅伯特馮萊恩反應(yīng)是合成芳香族氰化物的傳統(tǒng)方法。然而，這兩種方法都需要相同物質(zhì)含量的氰化銀和嚴(yán)格的反應(yīng)條件。1973年，takagi等人首次報(bào)告了磺化銀和硝酸鈉反應(yīng)的反應(yīng)條件。該開創(chuàng)性工作為國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究提供了重大進(jìn)展金屬氧化反應(yīng)的指南。近年來，過渡金屬氧化反應(yīng)鈉和化合物羥基化合物的氧化氰化反應(yīng)也取得了很大進(jìn)展。本文主要介紹了近年來轉(zhuǎn)移金屬氧化反應(yīng)c-cnh約束的進(jìn)展情況，并討論了相應(yīng)反應(yīng)的機(jī)制。1其他添加劑的催化作用芳香族氰化物廣泛用于天然產(chǎn)物、醫(yī)藥、農(nóng)藥及染料等諸多領(lǐng)域.它們也是有機(jī)合成中非常重要的中間體.合成芳香族氰化物的方法有很多,其中最直接、最簡單的方法是通過過渡金屬催化芳香鹵化物及擬鹵化物的氰化反應(yīng).1973年,Takagi等首次報(bào)道了鈀催化芳基碘化物及溴化物與氰化鉀的氰化反應(yīng).隨后,他們在對反應(yīng)機(jī)理的研究過程中發(fā)現(xiàn)過量的氰基負(fù)離子會與二價的鈀形成穩(wěn)定的金屬絡(luò)合物,從而導(dǎo)致催化劑失活.受到他們工作的啟發(fā),化學(xué)家們嘗試采用各種不同的手段來阻止催化劑失活以提高反應(yīng)效率,如添加劑的使用,新氰化試劑的發(fā)展以及催化劑體系的探索等.1998年,Anderson等發(fā)現(xiàn)在鈀催化芳基鹵化物氰化反應(yīng)的體系中,加入催化量的銅鹽或鋅鹽能極大地提高反應(yīng)的效率,相應(yīng)的氰化產(chǎn)物收率為71%~92%(Eq1).他們利用兩個循環(huán)機(jī)理來闡明添加劑在該反應(yīng)中所起的作用(Scheme1).其中一個典型的循環(huán)是零價鈀與芳基鹵化物氧化加成,再轉(zhuǎn)金屬,最后還原消除;另一個循環(huán)中添加劑與氰化鈉反應(yīng)形成共價鍵的氰化物種再與芳基鈀物種發(fā)生轉(zhuǎn)金屬.因此,這種過渡金屬添加劑在該反應(yīng)中作為載體,起著傳輸氰基負(fù)離子的作用除了銅鹽及鋅鹽外,三甲基硅氰、三苯基硼及三丁基氯化錫作為添加劑也能成功地應(yīng)用于該偶聯(lián)反應(yīng).2001年,Beller等報(bào)道了醋酸鈀與膦配體及二胺配體相結(jié)合的催化劑體系催化氯代芳烴與氰化鉀的偶聯(lián)反應(yīng)(Eq.2).他們發(fā)現(xiàn)加入催化量的TMEDA是該反應(yīng)成功的關(guān)鍵,TMEDA作為共配體或添加劑能夠穩(wěn)定鈀催化劑.最近,Grushin等詳細(xì)地分析了鹵代芳烴氰化過程中鈀催化劑失活等關(guān)鍵性問題后,發(fā)展了一種高效且通用的鈀催化溴代芳烴與氰化鈉的氰化反應(yīng)(Eq.3).該反應(yīng)僅用0.5~1mol%鈀催化劑及過量6%的氰化鈉就能實(shí)現(xiàn)溴代芳烴當(dāng)量的轉(zhuǎn)化及88%~99%分離收率.在該催化劑體系中加入廉價易得、催化量的鋅粉或氫化鈣能夠極大地提高反應(yīng)收率.該添加劑在反應(yīng)過程中起著還原劑的作用,穩(wěn)定鈀催化劑的活性金屬中心.氰化鋅作為氰化試劑應(yīng)用于芳基鹵化物的氰化反應(yīng)是始于20世紀(jì)90年代.與堿土金屬的氰化試劑(NaCN或KCN)相比,氰化鋅的毒性相對較低,而且它的兩個氰基都能夠被利用.另外,它在反應(yīng)體系中能保持低濃度的游離氰負(fù)離子,不易使催化劑失活,從而能夠提高催化劑的效率.因此,到目前為止,以氰化鋅為氰化試劑進(jìn)行氰化反應(yīng)的報(bào)道最多,且都是利用鈀催化劑體系來實(shí)現(xiàn)的這種化學(xué)轉(zhuǎn)化.2005年,Seki等報(bào)道了異相催化劑Pd/C催化芳基溴化物的氰化反應(yīng)(Eq4).他們比較了不同添加劑對該反應(yīng)的影響.當(dāng)反應(yīng)體系中加入Zn和Br2作為添加劑時,獲得了非常不錯的結(jié)果.然而,僅以Zn作為添加劑時,只有缺電子芳基溴化物的反應(yīng)才能順利地進(jìn)行.原因在于體系中Zn和Br2原位生成的ZnBr2可以與Zn(CN)2作用形成活性較高及溶解性較好的ZnCNBr,從而有利于反應(yīng)的進(jìn)行.2010年,Shevlin報(bào)道了以鋅粉及硫酸作為添加劑,利用鈀催化實(shí)現(xiàn)了一系列氯代芳烴的氰化反應(yīng)(Eq5).他們發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)體系中加入與鈀催化劑等量的硫酸能極大地提高鈀催化劑的活性.值得注意的是,烯基氯化物在該反應(yīng)條件下也能獲得較好的結(jié)果.2004年,Beller等首次報(bào)道了以亞鐵氰化鉀作為氰化試劑用于溴苯的氰化反應(yīng)(Eq.6).該氰化試劑具有無毒、廉價易得、容易操作等優(yōu)點(diǎn),且在反應(yīng)過程中緩慢地釋放出氰基,不致于使催化劑中毒而失去活性,其6個氰基都可參與反應(yīng).該反應(yīng)為氰化反應(yīng)開創(chuàng)了一個新的研究方向,迅速得到了眾多研究者的青睞.化學(xué)家們利用亞鐵氰化鉀作為氰化試劑,在發(fā)展新的催化劑體系、探索新的反應(yīng)介質(zhì)以及拓展底物等方面進(jìn)行了廣泛地研究.2010年,Kwong等研究了鈀催化芳基擬鹵化物與亞鐵氰化鉀的氰化反應(yīng)(Eq.7).水作為溶劑或共溶劑是該反應(yīng)成功的關(guān)鍵,主要原因在于它可以提高亞鐵氰化鉀在反應(yīng)體系中的溶解性.一系列的芳基甲磺酸酯及對甲基苯磺酸酯都能夠順利地轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氰化物,并獲得了較高的收率.在氰化反應(yīng)體系中,控制氰基負(fù)離子的濃度是非常關(guān)鍵的.緩慢地滴加可溶性的氰化試劑是解決這個問題的最好方法之一.三甲基硅氰和2-氰丙醇是常用的可溶性的氰化試劑.2011年,Beller等報(bào)道了銅催化的芳基溴化物與2-氰丙醇的偶聯(lián)反應(yīng)(Eq.8).通過流動注射泵技術(shù)控制氰化試劑的滴加速度可以嚴(yán)格控制體系中氰基負(fù)離子的濃度,從而提高催化的效率.2011年,Bhanage等發(fā)展了一種全新的、無毒的氰化試劑,實(shí)現(xiàn)了芳基碘化物及溴化物的氰化反應(yīng)(Eq.9).在該反應(yīng)體系中甲酰胺既是溶劑,又為氰化試劑.他們提出了可能的反應(yīng)機(jī)理:首先是零價鈀與芳烴鹵化物的氧化加成形成芳基鈀的物種I,接下來對亞胺鹽II的親核加成得到中間體III,中間體III發(fā)生β-H消除產(chǎn)生中間體IV,再發(fā)生后續(xù)的胺羰化及脫氫反應(yīng)即可得到芳基氰化物(Scheme2).亞胺鹽(即Vilsmeier試劑)的形成是這個反應(yīng)成功的關(guān)鍵.盡管鈀催化芳基鹵化的氰化反應(yīng)取得了重大的進(jìn)展,尋找環(huán)境友好的、廉價易得的催化劑體系是化學(xué)家們長期追求的目標(biāo).銅及鎳催化劑催化芳基鹵化物的氰化反應(yīng)也有很多報(bào)道.2003年,Buchwald等報(bào)道了銅催化芳基溴化物的氰化反應(yīng)(Eq.10).在該反應(yīng)體系中加入催化量的碘化鉀能夠極大地提高該反應(yīng)的效率.他們推測該反應(yīng)首先發(fā)生鹵交換反應(yīng)得到芳基碘化物,繼而再發(fā)生氰化反應(yīng).2003年,Leadbeater等報(bào)道了微波輔助下鎳促進(jìn)的芳基溴化物與氰化鈉的偶聯(lián)反應(yīng),相應(yīng)的氰化產(chǎn)物的收率較高(Eq.11).該反應(yīng)快速、簡單,且不需要任何配體和堿,甚至可以在空氣條件下進(jìn)行,也不存在催化劑中毒等問題.2以金屬氰化反應(yīng)為原料的氰化反應(yīng)α,β-不飽和氰化物也是有機(jī)合成中重要的中間體過渡金屬催化烯基鹵化物的立體選擇性氰化是合成α,β-不飽和氰化物非常有用的方法.早在20世紀(jì)60年代末Fischer等就報(bào)道了在高溫條件下當(dāng)量的金屬氰化物NaCu(CN)2,CuCN,K4Ni(CN)6促進(jìn)苯乙烯基溴的氰化反應(yīng).1977年,Murahashi等首次報(bào)道了鈀催化烯基鹵化物與氰化鉀-冠醚的氰化反應(yīng).最近,Liang等報(bào)道了在微波輔助下及離子液體中鈀催化烯基鹵化物與亞鐵氰化鉀的偶聯(lián)反應(yīng),得到了高立體選擇性的氰化產(chǎn)物(Eq.12).該反應(yīng)簡單,快速,且產(chǎn)物很容易分離,離子液體也可以重復(fù)使用.3高立體選擇性的氰化反應(yīng)過渡金屬催化烯丙基醋酸酯及碳酸酯與不同親核試劑的反應(yīng)是有機(jī)合成中重要的轉(zhuǎn)化.1993年,Tsuji等報(bào)道了鈀催化烯丙基醋酸酯及碳酸酯與三甲基硅氰的偶聯(lián)反應(yīng),得到了高收率、高立體選擇性的氰化產(chǎn)物(Scheme3).為了確定氰化反應(yīng)過程中的立體化學(xué),他們選用一些cis或trans的烯丙基碳酸酯為底物,結(jié)果發(fā)現(xiàn)cis結(jié)構(gòu)的烯丙基碳酸酯反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為trans結(jié)構(gòu)的氰化產(chǎn)物;trans結(jié)構(gòu)的烯丙基碳酸酯反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為cis結(jié)構(gòu)的氰化產(chǎn)物.這種立體化學(xué)說明氰基是從鈀的一側(cè)來進(jìn)攻η3-烯丙基鈀中間體.2000年,Tsuji等報(bào)道了鈀催化炔丙基碳酸酯與三甲基硅氰的偶聯(lián)反應(yīng),得到了聯(lián)烯氰的化合物.但當(dāng)體系中三甲基硅氰大大過量時,聯(lián)烯氰化合物的雙鍵可以再發(fā)生氰硅化反應(yīng)(Scheme4).4芳基及烯基硼的氧化氰化反應(yīng)過渡金屬催化芳基硼酸的官能團(tuán)化是現(xiàn)代有機(jī)合成中構(gòu)建碳—碳鍵、碳—雜鍵最強(qiáng)有力的工具.2006年Liebeskind等首次報(bào)道了在噻吩-2-甲酸亞銅(CuTC)的輔助下鈀催化芳基硼酸與硫氰酸酯的偶聯(lián)反應(yīng),得到較高收率的氰化產(chǎn)物(Eq.13).這種方法被認(rèn)為是過渡金屬催化芳基鹵化物氰化的重要補(bǔ)充.他們提出了可能的反應(yīng)機(jī)理:首先是零價鈀與硫氰酸酯的氧化加成得到氰基鈀的物種I,接下來與CuTC的配位作用形成II,再與芳基硼酸作用形成中間體III,轉(zhuǎn)金屬產(chǎn)生中間體IV,最后還原消除得到芳基氰化物,同時產(chǎn)生零價鈀完成催化循環(huán)(Scheme5).噻吩-2-甲酸亞銅(CuTC)在反應(yīng)過程中起著雙活化的作用,一方面銅離子與氰基鈀的物種I中的硫之間相互作用可以極化Pd—S鍵,另一方面羧基的氧原子與硼原子之間的配位作用可以促進(jìn)芳基硼酸的轉(zhuǎn)金屬.2010年,Hartwig等首次報(bào)道了銅促進(jìn)的芳基硼酸及硼酸酯與氰化鋅的氧化氰化反應(yīng)(Eq.14).他們還利用銥和銅先后催化,“一鍋法”實(shí)現(xiàn)了芳烴C—H的間位氰化反應(yīng).2011年,Cheng等發(fā)展了一種簡單、高效的銅促進(jìn)芳基及烯基硼酸的氧化氰化反應(yīng)(Scheme6).該反應(yīng)的條件溫和,官能團(tuán)的耐受性好,底物的適用范圍廣.2011年,Beller等報(bào)道了銠催化芳基及烯基硼酸與親電性的氰化試劑的偶聯(lián)反應(yīng)(Eq.15).盡管該反應(yīng)的條件比較溫和,底物的適用范圍廣,產(chǎn)率也較高,但反應(yīng)需要較昂貴的銠催化劑以及復(fù)雜的氰化試劑.他們提出了可能的反應(yīng)機(jī)理:首先芳基硼酸與活性的銠催化劑之間轉(zhuǎn)金屬得到芳基銠的物種I,接下來與氰化試劑配位形成中間體II,然后分子內(nèi)芳基對碳-氮叁鍵的遷移插入形成中間體III,最后重排生成芳基氰化物,同時釋放出中間體IV,再與芳基硼酸作用又得到芳基銠的物種I,從而完成催化循環(huán)(Scheme7).5以為中心的雙氰化反應(yīng)近年來,過渡金屬催化σ-鍵對碳-碳不飽和鍵的加成反應(yīng)進(jìn)行了廣泛地研究.1988年,Chatani等首次報(bào)道了鈀催化三甲基硅氰對端炔的加成反應(yīng),得到了高區(qū)域與立體選擇性的加成產(chǎn)物(Eq.16).該體系中底物的結(jié)構(gòu)及不同的催化劑對加成產(chǎn)物的區(qū)域與立體選擇性有重要的影響.當(dāng)使用氯化鎳作為催化劑及無溶劑條件下反應(yīng),奇怪地得到了吡咯的衍生物.2009年,Arai等報(bào)道了在氧氣條件下,氯化鈀催化三甲基硅氰對端炔的加成反應(yīng),卻得到了雙氰化的產(chǎn)物(Eq.17).炔烴的結(jié)構(gòu)對產(chǎn)物順反異構(gòu)體的比例有很大影響.該反應(yīng)可能的機(jī)理經(jīng)由兩條途徑(Scheme8)一方面通過順式氰鈀化得到順式雙氰化的產(chǎn)物(PathA)另一方面通過反式氰鈀化得到反式雙氰化的產(chǎn)物(PathB).另外,1,6-二炔或1,6-烯炔化合物在氰化鈀的催化下可以得到雙氰化環(huán)化的產(chǎn)物.2003年,Suginome等報(bào)道了鈀催化分子內(nèi)碳-碳叁鍵的氰硼化反應(yīng)(Scheme9).這種高區(qū)域與立體選擇性的加成反應(yīng)一步構(gòu)建了碳—硼鍵及碳—碳鍵.此后他們又發(fā)展了一系列的B—CN試劑,實(shí)現(xiàn)了不對稱炔烴碳-碳叁鍵的高區(qū)域選擇性的氰硼化反應(yīng).這些氰硼化的產(chǎn)物是有機(jī)合成中非常重要的中間體.2004年,Hiyama等報(bào)道了鎳催化芳基氰化物C—CN鍵的斷裂及對炔烴不飽和鍵的加成反應(yīng),得到了高收率的α,β-不飽和氰化物,并沒有其它副產(chǎn)物產(chǎn)生(Eq.18).這是一種非常綠色的、原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng).2005年,Nishihara等首次報(bào)道了鈀催化氰甲酸乙酯碳—碳σ-鍵的活化及對烯烴不飽和鍵的加成反應(yīng),得到了高立體選擇性的氰酯化產(chǎn)物(Eq.19).然而,該反應(yīng)只適用于有張力的降冰片烯衍生物的不飽和鍵的氰酯化.受到他們工作的啟發(fā),Hiyama等報(bào)道了鎳催化聯(lián)烯與氰甲酸乙酯的氰酯化反應(yīng),得到了高區(qū)域選擇性的α-氰基丙烯酸乙酯的衍生物(Eq.20).在探索該反應(yīng)的過程中,他們還發(fā)現(xiàn)在路易斯酸的輔助下,利用鎳催化實(shí)現(xiàn)了內(nèi)炔的氰酯化、氰甲氨?；扒柘┍磻?yīng)(Scheme10).對于不對稱的內(nèi)炔,其區(qū)域選擇性會受到取代基的影響.過渡金屬催化芳香鹵化物的氰化反應(yīng)已有相當(dāng)多的報(bào)道,Wu等在此研究的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了鈀催化內(nèi)炔、芳基溴化物及亞鐵氰化鉀的三組分反應(yīng),非常高效地合成了四取代的α,β-不飽和氰化物(Eq.21).然而,過渡金屬催化烯烴的氰化反應(yīng)相對較少.2000年,Yamamoto等報(bào)道了鈀催化烯烴的氰烯丙基化反應(yīng)(Eq.22).但只有較活潑的烯烴才能發(fā)生該反應(yīng),即雙鍵的同一碳原子上有兩個強(qiáng)吸電子基團(tuán).2009年,Breit等報(bào)道了鎳催化烯烴與2-氰丙醇的氫氰化反應(yīng)(Eq.23).在該反應(yīng)體系中異喹啉酮與氨基吡啶的衍生物兩種配體自組裝成二齒配體能夠促進(jìn)鎳催化該反應(yīng),并獲得以支鏈為主的氫氰化產(chǎn)物.6氰化反應(yīng)的機(jī)理過渡金屬催化碳—?dú)滏I的官能團(tuán)化是構(gòu)建碳—碳鍵、碳—雜鍵最有效、最直接的手段.目前,過渡金屬催化碳—?dú)滏I直接氰化反應(yīng)研究已取得重大的進(jìn)展.2003年,Murahashi等首次報(bào)道了釕催化雜原子鄰位sp3碳—?dú)滏I的氧化氰化反應(yīng)(Eq.24).該反應(yīng)以氰化鈉為氰化試劑,以氧氣為氧化劑,在甲醇和乙酸混和溶劑中實(shí)現(xiàn)了三級胺中sp3碳—?dú)滏I的氰化.他們認(rèn)為該反應(yīng)的關(guān)鍵在于在氧化條件下,三級胺形成了亞胺中間體,從而被體系中的氰基負(fù)離子捕獲生成氰化產(chǎn)物.后來他們又用雙氧水作氧化劑,在相同條件也實(shí)現(xiàn)了該反應(yīng).受到Murahashi等工作的啟發(fā),其它的催化劑體系也已經(jīng)發(fā)展,并用來催化sp3碳—?dú)滏I的氧化氰化反應(yīng)(Scheme11),如五氧化二釩、氯化亞鐵及金催化劑.2006年,Yu等報(bào)道了以三甲基硅氰為氰化試劑,利用銅促進(jìn)的導(dǎo)向基團(tuán)輔助的sp2碳—?dú)滏I的氰化(Eq.25).有意思的是當(dāng)以硝基甲烷為溶劑,不需要其它任何氰化試劑,也可以得到67%的氰化產(chǎn)物.目前該反應(yīng)的機(jī)理還不是很清楚.2009年,Cheng等報(bào)道了以氰化亞銅為氰化試劑,利用鈀催化實(shí)現(xiàn)了2-苯基吡啶鄰位碳—?dú)滏I的氰化(Eq.26).該反應(yīng)可能的機(jī)理,首先底物與Pd(II)作用形成環(huán)鈀物種,再與氰化亞銅發(fā)生轉(zhuǎn)金屬,最后還原消除得到氰化產(chǎn)物,同時產(chǎn)生Pd(0),在氧化劑存在條件下又被氧化成Pd(II),從而完成催化循環(huán)(Scheme12).后來,他們用鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])為氰化試劑,以物質(zhì)的量的溴化銅為氧化劑,利用鈀催化也實(shí)現(xiàn)2-苯基吡啶鄰位碳—?dú)滏I的氰化.不過他們在研究中發(fā)現(xiàn)了有部分溴化的產(chǎn)物,因此,推測該反應(yīng)可能是先發(fā)生了鄰位碳—?dú)滏I的溴化,繼而在鈀的作用下再發(fā)生鹵代芳烴的氰化反應(yīng).2010年,Chang等發(fā)展了一種新的氰化試劑,即反應(yīng)體系中氨水與N,N-二甲基甲酰胺原位地產(chǎn)生氰基.以此為氰源,實(shí)現(xiàn)了鈀催化2-苯基吡啶鄰位碳—?dú)滏I的氰化(Eq.27).他們推測了原位產(chǎn)生氰基的可能過程:首先N,N-二甲基甲酰胺與銅鹽之間通過單電子轉(zhuǎn)移的作用形成亞胺中間體I,再發(fā)生氨的親核加成反應(yīng)得到中間體II,最后在氧的作用下發(fā)生碳—氮鍵的斷裂產(chǎn)生氰基(Scheme13).近年來,過渡金屬催化吲哚選擇性碳—?dú)滏I的官能團(tuán)化反應(yīng)進(jìn)行了廣泛的研究.2010年,我們課題組首次報(bào)道了以亞鐵氰化鉀為氰化試劑,利用鈀催化實(shí)現(xiàn)了吲哚3-位碳—?dú)滏I的氰化反應(yīng)(Eq