有机反应机理第九章.ppt

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1、有机反应机理第9章 过渡金属络合物的基本反应和催化机理9.1 过渡金属络合物的结构9.2 过渡金属络合物的基本反应9.3 过渡金属催化反应实例有机反应机理9.1 过渡金属络合物的结构9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算9.1.2 键和键有机反应机理9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算过渡金属络合物可利用d轨道成键，稳定结构是价壳层电子数为18，称为18电子规则与八隅体规则不同的是，许多价壳层电子数小于18的过渡金属络合物也能稳定存在价壳层电子数大于18的过渡金属络合物不能稳定存在有机反应机理价壳层电子数N的计算N=Nligand+dn V式中：Nligand为配

2、体提供的电子数dn为中心原子d电子数V为络合物所带电荷数有机反应机理常见配体的电子数单电子配体：R,H,R2N,halogen,etc.,双电子配体：R2C(carbenes or alkylidene groups),RN(imido groups),or O(oxide)，以键配位的烯烃以及 R3N,RCN,H2O,R3P等Lewis碱多电子配体：烯丙基（3)，丁二烯（4），环戊二烯基(cp,5),苯（6）等有机反应机理计算以下反应中各络合物的价壳层电子数18 16 18有机反应机理9.1.2 键和键键：沿键轴对称有机反应机理键：沿键轴反对称给予键：键反馈键：键有机反应机理配位键的表示法有

3、机反应机理9.2 过渡金属络合物的基本反应9.2.2 氧化加成和还原消除反应9.2.3 迁移插入和氢消除反应9.2.1 配体的配位和解离9.2.4 转移金属化反应有机反应机理9.2.1 配体的配位和解离有机反应机理9.2.2 氧化加成和还原消除反应单电子氧化加成和双电子氧化加成单电子氧化加成和双电子氧化加成单电子氧化加成单电子氧化加成双电子氧化加成双电子氧化加成有机反应机理单电子氧化加成和双电子氧化加成单电子氧化加成和双电子氧化加成Vaska络合物的各类双电子氧化加成反应如下 有机反应机理有机反应机理氧化加成的机理氧化加成的机理氢的氧化加成：协同机理氢的氧化加成：协同机理有机反应机理氧化加成的

4、机理（续）氧化加成的机理（续）卤代烃的氧化加成：亲核机理或自由基机理卤代烃的氧化加成：亲核机理或自由基机理有机反应机理亲核机理的实验证据亲核机理的实验证据取代基效应 中心原子上的给电子配体，卤代烃分子中的吸电子基团对反应有利 R的立体化学 构型转化 注意：d0络合物不能发生氧化加成反应有机反应机理影响氧化加成的因素氧化加成是中心原子氧化态升高的过程，任何使中心原子电子云密度升高的因素都会对氧化加成产生有利的影响 对于同系物的同类型氧化加成反应，可根据以下规则判别反应的难易 有机反应机理影响氧化加成的因素（续）中心原子氧化态越低，越有利于氧化加成 中心原子所在周期数越高，越有利于氧化加成 中心原

5、子已有配体供电性越强，越有利于氧化加成 有机反应机理影响氧化加成的因素（续）配位不饱和的络合物容易发生氧化加成反应 配位饱和的络合物发生氧化加成时，必须先离解出一个配体，生成配位不饱和的中间体，方可反应 有机反应机理氧化加成的逆反应：还原消除 还原消除反应中，中心原子的氧化态和配位数均降低。中心原子电子云密度高低对还原消除反应的影响与对氧化加成反应的影响相反 形成形成CC或或CH键的还原消除往往是催化过程的键的还原消除往往是催化过程的最后一步最后一步有机反应机理还原消除的机理形成形成CC或或CH键的还原消除通常为协同机理键的还原消除通常为协同机理有机反应机理9.2.3 迁移插入和氢消除反应烯氢

6、插入烯氢插入氢消除是烯氢插入的逆反应有机反应机理烯烷基插入烯烷基插入迁移基团R构型保持对烯烃来说，为同向加成 Markownikoff加成和反Markownikoff加成 有机反应机理羰基插入有机反应机理9.2.4 转移金属化反应有机反应机理9.3.1 卤代烃与不饱和烃的偶联卤代烃与炔烃的偶联（Sonogashira偶联）卤代烃与烯烃的偶联卤代烃与烯烃的偶联(Heck反应）9.3 过渡金属催化反应实例有机反应机理卤代烃与硼烷的偶联(Suzuki偶联)卤代烃与格林亚试剂与格林亚试剂的偶联(Kumada偶联偶联)9.3.2 卤代烃与金属有机化合物的偶联卤代烃与金属有机化合物的偶联卤代烃与有机锌的偶

7、联(Negishi偶联)卤代烃与有机锡的偶联(Still偶联)有机反应机理9.3.1 卤代烃与不饱和烃的偶联卤代烃与烯烃的偶联卤代烃与烯烃的偶联,R F Heck,1970R=aryl,benzyl,alkenyl,alkyl(no hydrogen)有机反应机理Heck反应的特点反应的特点烯烃中取代基电性对反应影响不大，有吸电基的烯烃中取代基电性对反应影响不大，有吸电基的烯烃收率略高；取代基越多，反应越慢烯烃收率略高；取代基越多，反应越慢烯丙醇在反应中会发生重排烯丙醇在反应中会发生重排反应通常在膦配体和碱存在下进行，对水不敏感反应通常在膦配体和碱存在下进行，对水不敏感有机反应机理Heck反应

8、的特点（续）反应的特点（续）RX的反应速率按以下顺序递减，氯代烃反应慢的反应速率按以下顺序递减，氯代烃反应慢I Br OTf Cl对于有对于有 氢的卤代烃，易发生氢的卤代烃，易发生 氢消除生成烯烃氢消除生成烯烃有机反应机理Heck反应的机理反应的机理由由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：氧化加成（氧化加成（oxidative addition)还原消除（还原消除（reductive elimination)转移金属化（转移金属化（transmetallation)插入插入(insertion)和和 氢消除氢消除(-hydride eliminati

9、on)有机反应机理有机反应机理Heck反应合成lasiodiplodinA potent anticancer macrocyclic natural product有机反应机理Frstner,A.,Thiel,O.R.,Kindler,N.,Bartkowska,B.Total Syntheses of(S)-(-)-Zearalenone and Lasiodiplodin Reveal Superior MetathesisActivity of Ruthenium Carbene Complexes with Imidazol-2-ylidene Ligands.J.Org.Chem.

10、2000,65,7990-7995参考文献参考文献有机反应机理有机反应机理卤代烃与炔烃的偶联Castro-Stephens偶联In the early 1960s,R.D.Stephens and C.E.Castro discovered that disubstituted acetylenes were produced in good yield upon treatment of aryl iodides with stoichiometric amounts ofcopper(I)acetylides under a nitrogen atmosphere in refluxing

11、 pyridine有机反应机理The copper(I)mediated coupling of aryl or vinyl halides with aryl-or alkyl-substituted alkynes is known as the Castro-Stephens coupling.有机反应机理Castro-Stephens偶联的机理The reaction is believed to proceed via a four-centered transition state有机反应机理Castro-Stephens偶联的缺点Most copper(I)salts are i

12、nsoluble in organic solvents,so the reactions are often hetero-geneous and require high reaction temperaturesThe reactions are sensitive to functional groups on the aryl halides,and the yields are often irreproducible有机反应机理Castro-Stephens偶联合成tribenzocyclotriyne有机反应机理Kinder,J.D.,Tessier,C.A.,Youngs,W

13、.J.Synthesis of a para-methoxy substituted tribenzocyclotriyne.Synlett 1993,149-150参考文献参考文献有机反应机理Sonogashira偶联，1975Catalytic version of the Castro-Stephens coupling有机反应机理Pd-catalyst:Pd(PPh3)2Cl2 or Pd(PPh3)4Cu(I)-salt:CuI or CuBrbase:Et2NH,Et3N,(i-Pr)2NEtsolvent:MeCN,THF,EtOAc有机反应机理Sonogashira偶联的机理有

14、机反应机理Sonogashira偶联的特点The coupling can usually be conducted at or slightly above room temperatureThe handling of the shock-sensitive/explosive copper acetylides is avoided by the use of a catalytic amounts of copper(I)salt有机反应机理Sonogashira偶联的特点（续）The solvents and the reagents do not need to be rigoro

15、usly dried.However,a thoroughdeoxygenation is essential to maintain the activity of the Pd-catalystThe order of reactivity for the aryl and vinyl halides is I OTf Br Cl有机反应机理Sonogashira偶联合成mappicineCamptothecin，喜树碱用于治疗胃癌、肠癌，喜树碱用于治疗胃癌、肠癌，慢性粒细胞型和急性白血病等慢性粒细胞型和急性白血病等有机反应机理Toyota,M.,Komori,C.,Ihara,M.A C

16、oncise Formal Total Synthesis of Mappicine and Nothapodytine B via an Intramolecular Hetero Diels-Alder Reaction.J.Org.Chem.2000,65,7110-7113.参考文献参考文献有机反应机理有机反应机理9.3.2 卤代烃与金属有机化合物的偶联卤代烃与硼烷的偶联，Suzuki偶联1979年，年，A Suzuki和和N Miyaura发现在钯催化发现在钯催化下硼烷可与卤代烯烃偶联，生成下硼烷可与卤代烯烃偶联，生成E烯烃烯烃后来，就把钯催化下硼烷与有机卤化物或三氟后来，就把钯催化

17、下硼烷与有机卤化物或三氟甲磺酸酯的偶联称作甲磺酸酯的偶联称作Suzuki偶联有机反应机理有机反应机理Suzuki偶联反应的特点硼烷或硼酸酯毒性小硼烷或硼酸酯毒性小反应有好的立体选择和区域选择性反应有好的立体选择和区域选择性反应条件温和，水对反应干扰小反应条件温和，水对反应干扰小后处理简单，无机副产物易除去后处理简单，无机副产物易除去有机反应机理Suzuki偶联反应的缺点卤代烷和芳香族卤代烃反应性不好卤代烷和芳香族卤代烃反应性不好反应需碱催化，可能导致外消旋化等副反应反应需碱催化，可能导致外消旋化等副反应有时可能会生成一些自偶联副产物有时可能会生成一些自偶联副产物有机反应机理Suzuki偶联反应

18、的改进发展有利于芳烃和卤代烷烃偶联的催化体系发展有利于芳烃和卤代烷烃偶联的催化体系有机反应机理Suzuki偶联反应的机理由由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：氧化加成（氧化加成（oxidative addition)还原消除（还原消除（reductive elimination)转移金属化（转移金属化（transmetallation)有机反应机理有机反应机理芳基硼酸酯与卤代芳烃偶联合成TMC-95AProteasome inhibitor有机反应机理Lin S,Danishefsky S J.The total synthesis of prot

19、easome inhibitors TMC-95A and TMC-95B:discovery of a new method to generate cis-propenyl amides.Angew Chem Int Ed Engl.2002,41(3):512-515参考文献参考文献有机反应机理有机反应机理Miyaura硼酸化反应(1993-1995)有机反应机理Miyaura硼酸化反应机理有机反应机理有机反应机理卤代烃与格林亚试剂与格林亚试剂的偶联Kumada偶联偶联,M Kumada 和和R J P Corriu,1972镍膦络合物催化下，卤代烯烃或卤代芳烃与格镍膦络合物催化下，卤代

20、烯烃或卤代芳烃与格林亚试剂的偶联林亚试剂的偶联有机反应机理改用钯膦络合物催化，可实现卤代烯烃或卤代芳烃改用钯膦络合物催化，可实现卤代烯烃或卤代芳烃与有机锂的偶联与有机锂的偶联有机反应机理Kumada偶联反应的特点偶联反应的特点对于镍催化的偶联，配体的种类对活性有影响对于镍催化的偶联，配体的种类对活性有影响有机反应机理Kumada偶联反应的特点（续）偶联反应的特点（续）有有 氢的氢的烷基格烷基格林亚林亚试剂不会发生试剂不会发生 氢消除氢消除仲仲烷基格林亚试剂可能异构化，生成伯烷基产物烷基格林亚试剂可能异构化，生成伯烷基产物dppf为配体可加速为配体可加速 氢消除和还原消除，抑制仲氢消除和还原消除

21、，抑制仲烷基的异构化，可用于仲烷基格林亚试剂的偶联烷基的异构化，可用于仲烷基格林亚试剂的偶联卤代烯烃的构型卤代烯烃的构型保持保持有机反应机理镍镍催化催化Kumada偶联反应的机理偶联反应的机理有机反应机理有机反应机理钯催化钯催化Kumada偶联反应的机理偶联反应的机理有机反应机理Kumada偶联反应合成应用实例偶联反应合成应用实例Synthesis of 18dehydrodesoxyepothlione B有机反应机理参考文献参考文献Alexey R,Jon T N,Kaustav B,Ting-Chao Chou,and Samuel J D.Total Syntheses of 17-a

22、nd 18Dehydrodesoxyepothilones B via aConcise Ring-Closing Metathesis-Based Strategy:Correlation of Ring Size with Biological Activity in the Epothilone Series.J Org Chem,2002,67(22):7737-7740有机反应机理有机反应机理卤代烃与有机锌的偶联Negishi偶联,E Negishi,1976有机反应机理镍催化Negishi偶联机理有机反应机理有机反应机理钯催化Negishi偶联机理有机反应机理Negishi偶联反应

23、的特点Both Ni-and Pd phosphine complexes work well as catalysts.However,the Pd-catalysts tend to give somewhat higher yields and better stereoselectivity,and their functional group tolerance is better钯的催化效果较镍好钯的催化效果较镍好有机反应机理Negishi偶联反应的特点（续）Of all the various organometals(Al,Zr,B,Sn,Cu,Zn),organozincs

24、are usually the most reactivein Pd-catalyzed cross-coupling reactions and do not require the use of additives(e.g.,bases as in Suzuki cross couplings)to boost the reactivity有机锌的钯催化偶联活性高，不需加助催化剂（如有机锌的钯催化偶联活性高，不需加助催化剂（如Suzuki偶联需碱作助催化剂）偶联需碱作助催化剂）有机反应机理Negishi偶联反应的特点（续）Greater functional group tolerance

25、 in both coupling partners than in the Kumada cross-coupling where more basic organolithiums and Grignard reagents are utilized as coupling partners有机锌化合物碱性小于格林亚试剂和有机锂，官有机锌化合物碱性小于格林亚试剂和有机锂，官能团容忍度较能团容忍度较Kumada偶联好偶联好有机反应机理Negishi偶联反应的特点（续）Other advantages of the use of organozincs include:high reactiv

26、ity,high regio-,and stereoselectivity,wide scope and applicability,few side reactions and almost no toxicity与与Still偶联比较，有机锌毒性小于有机锡偶联比较，有机锌毒性小于有机锡有机反应机理Negishi偶联合成天然抗菌药天然抗菌药(-)-hectochlorin有机反应机理Jeannie R.P.Cetusic,Frederick R.Green III,Paul R.Graupner,and M.Paige Oliver.Total Synthesis of Hectochlor

27、in.Org.Lett.,2002,4(8):13071310参考文献参考文献(见见41)有机反应机理有机反应机理卤代烃与有机锡的偶联Stille偶联，1978，J K stille有机反应机理Stille偶联的机理有机反应机理Stille偶联反应的特点Organostannanes are not sensitive to moisture or oxygen unlike other reactive organometalliccompoundsThe main disadvantages are their toxicity and the difficulty to remove t

28、he traces of tinby-products from the reaction mixture活性低，对水不敏感，试剂毒性较大活性低，对水不敏感，试剂毒性较大有机反应机理Stille偶联合成(+)-mycotrienolAn antibiotic有机反应机理参考文献参考文献Craig E M,Michael Y,Jason S,and James S P.Total Synthesis of(+)-Mycotrienol and(+)-Mycotrienin I:Application of Asymmetric Crotylsilane Bond Constructions.J

29、Am Chem Soc,1998,120(17):4123-4134有机反应机理有机反应机理Stille羰基化交叉偶联由于有机锡的活性相对较低，在由于有机锡的活性相对较低，在CO存在下，可存在下，可发生发生CO插入的羰基化交叉偶联插入的羰基化交叉偶联有机反应机理Stille羰基化交叉偶联机理有机反应机理Stille羰基化交叉偶联合成C-glycosides有机反应机理Jeanneret,V.,Meerpoel,L.,Vogel,P.C-Glycosides and C-disaccharide precursors through carbonylative Stille coupling reactions.Tetrahedron Lett.1997,38,543-546.参考文献参考文献有机反应机理See you next time