金属钯在有机反应中的催化应用ppt课件.ppt
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1、金属钯在有机反应中的催化应用金属钯在有机反应中的催化应用主讲人:周晋主讲人:周晋化学工程学院化学工程学院在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么主要内容nPd催化剂的独特地位催化剂的独特地位n金属配合物的基元反应金属配合物的基元反应n金属钯催化的反应类型金属钯催化的反应类型n交叉偶联反应交叉偶联反应n醇需氧氧化反应醇需氧氧化反应在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么一、金属钯催化剂的独特地位一、金属钯催化剂的独特地位1.1.金属在有机化学中的应用金属在有机化学中的应
2、用n绝大多数有机化合物由绝大多数有机化合物由C、H、N、O、S、P等等非金属元素组成非金属元素组成n但元素周期表中但元素周期表中3/4的的元素为金属元素的的元素为金属元素n多种金属元素已经被应用于有机化学反应多种金属元素已经被应用于有机化学反应在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么n 活泼主族金属元素:如Li、K、Na、Mg、CaCH3Li t-BuOK NaBH4 CaH2 NaNH2 CH3MgCl n第三主族金属元素(Lewis酸催化剂):傅克反应 硼氢化还原反应n过渡金属 (1)过渡金属试剂参与化学计量反应KMnO4 C
3、rO3 Zn-Hg (2)过渡金属催化剂 Organometallic Chemistry Directed Towards Organic Synthesis(OMCOS)Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru等等在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么回顾诺贝尔奖颁奖一个多世纪以来,化学奖授予给有机合成方法学的一共有6次。在我们今天看来,它们都是在有机合成上具有划时代意义的,是经典中的经典的!它们分别是1912年格林尼亚的格氏试剂;1950年Diels-Alder反应;1979年的Witting反应;2001年的不对称催化和
4、去年的烯烃复分解反应。2010年的金属钯催化的交叉偶联反应。我们可以发现,这六次奖都是有关构筑C-C键的合成方法学。其中格氏试剂、烯烃复分解反应和交叉偶联反应都是涉及到金属在有机化学中的应用。如果算上1963年的Ziegler Nata催化剂,一共有三次获奖。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么在日常生活中,随处都可以看到
5、浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么2.为什么是为什么是Pd?nPd作为第作为第46号元素号元素,位于第二过渡周期,其原子,位于第二过渡周期,其原子半径大小适中,介于金属镍和铂之间。适度的原半径大小适中,介于金属镍和铂之间。适度的原子尺寸与其多样的化学性质紧密相关,比如子尺寸与其多样的化学性质紧密相关,比如Pd配配合物的稳定性以及催化性能的多样性。合物的稳定性以及催化性能的多样性。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么nPd倾向于倾向于0和和+2两个氧化态:两个氧化态:Pd(0)Pd(II
6、)Pd的这种性质与其原子半径是紧密相关的。原子半径较大的这种性质与其原子半径是紧密相关的。原子半径较大的金属的金属Pt倾向于形成倾向于形成Pt(IV)d6的八面体配合物,而原子半径的八面体配合物,而原子半径较小的金属较小的金属Ni则可以通过一个单电子过程形成一个则可以通过一个单电子过程形成一个Ni(I)物物种。当然金属种。当然金属Ni的这一性质可能使其在一定程度上比金属的这一性质可能使其在一定程度上比金属Pd具有更多样化的应用。然而,反应活性与不稳定性总是具有更多样化的应用。然而,反应活性与不稳定性总是联系在一起的。联系在一起的。Pd配合物的相对稳定性更有利于催化反应配合物的相对稳定性更有利于
7、催化反应的选择性和最大限度地避免副反应。而很多的选择性和最大限度地避免副反应。而很多Ni催化的有机催化的有机反应却往往产生复杂的副反应。因此,与反应却往往产生复杂的副反应。因此,与Ni相比,相比,Pd在催在催化有机反应时具有更高的化学和立体选择性;或者说,化有机反应时具有更高的化学和立体选择性;或者说,有有机机Pd配合物在参与有机反应时具有更高的稳定性配合物在参与有机反应时具有更高的稳定性。2.为什么是为什么是Pd?在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么2.为什么是为什么是Pd?nPd是典型的后过渡金属,倾向于生成是典型的后过渡
8、金属,倾向于生成d10和和d8的配的配合物,分别对应合物,分别对应0和和+2两个低氧化态。两个低氧化态。Pd能够形成相对稳定的能够形成相对稳定的16e或者更少最外层电子数的配合物,或者更少最外层电子数的配合物,这类配位不饱和的配合物可以提供至少一对价层空轨道和这类配位不饱和的配合物可以提供至少一对价层空轨道和被占有的非键轨道。作为被占有的非键轨道。作为LUMO的价层空轨道可以提供的价层空轨道可以提供Lewis碱性和亲电空位,而被占有的非键轨道可以作为碱性和亲电空位,而被占有的非键轨道可以作为HOMO提供提供Lewis酸性和亲核空位。因此,酸性和亲核空位。因此,Pd可以很容易可以很容易地参与协同
9、那些活化能较低的有机反应。事实上,地参与协同那些活化能较低的有机反应。事实上,Pd的配的配位性质正是其能够协同如此多的高选择性有机反应的关键位性质正是其能够协同如此多的高选择性有机反应的关键所在。所在。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么2.为什么是为什么是Pd?nPd-C键具有特殊的稳定性。键具有特殊的稳定性。金属金属Pd和和C的的Pauling电负性分别为电负性分别为2.2和和2.5。因。因此,此,Pd-C键在一定程度上被认为是非极性的。与键在一定程度上被认为是非极性的。与格式试剂和锂试剂等金属有机试剂相比,格式试剂和锂试
10、剂等金属有机试剂相比,Pd-C键键对羰基、酯基、氨基、醛基、硝基等极性基团和对羰基、酯基、氨基、醛基、硝基等极性基团和C-X键以及环氧化合物都具有相当的稳定性。键以及环氧化合物都具有相当的稳定性。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么2.为什么是为什么是Pd?nPd可以有效地活化一些被认为是惰性的化合物,可以有效地活化一些被认为是惰性的化合物,比如羰基化合物等。比如羰基化合物等。醛基与醛基与Pd可以通过可以通过C-H活化活化生成酰基生成酰基-Pd配合物,继而发生去羰化反应。而酮配合物,继而发生去羰化反应。而酮类则可以被类则可以被
11、Pd催化氢化还原为醇。催化氢化还原为醇。n最后,最后,Pd的毒性很小的毒性很小。因此。因此Pd可以作为催化剂大可以作为催化剂大量应用在工业生产的过程中。量应用在工业生产的过程中。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么二、二、金属钯配合物的基元反应金属钯配合物的基元反应nPd(0)LnnPd(II)Ln Pd(0)价层轨道电子排布为价层轨道电子排布为4d10,根据,根据18e规则,规则,Pd(0)可以结合四个配体,生成可以结合四个配体,生成18e配合物,与配合物,与大体积配体可以生成配位不饱和的大体积配体可以生成配位不饱和的16e
12、或或14e配配合物。合物。PdL4的空间构型一般为四边形,价层轨道杂化的空间构型一般为四边形,价层轨道杂化形式为形式为dsp2。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么1.1.氧化加成氧化加成氧化加成是指金属活性物种断裂共价键从而氧化加成是指金属活性物种断裂共价键从而形成两个新的化学键。相应的金属物种的氧形成两个新的化学键。相应的金属物种的氧化态升高化态升高2 2。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己
13、在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么2.2.还原消除还原消除在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么3.3.插入反应插入反应金属配合物插入不饱和化学键,类似有机化学中的加成反应金属配合物插入不饱和化学键,类似有机化学中的加成反应在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么4.转金属化在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪
14、费这一点点算不了什么5.-H消除消除在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么 配位催化原称络合催化,是指这样的催化作用:在配位催化原称络合催化,是指这样的催化作用:在催化过程中催化剂与反应物或反应中间物之间催化过程中催化剂与反应物或反应中间物之间发生发生配位反应配位反应,使反应物分子在配位个体中处于有利于,使反应物分子在配位个体中处于有利于进一步发生反应的进一步发生反应的活化状态活化状态,从而加速反应的进行。,从而加速反应的进行。配位催化在生产某些有机工业品的过程中起非常重配位催化在生产某些有机工业品的过程中起非常重要的作用。要的
15、作用。配位催化配位催化三、金属钯催化的反应类型三、金属钯催化的反应类型在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么三、金属钯催化的反应类型三、金属钯催化的反应类型nWacker反应反应在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么金属钯催化的一般过程在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么Pd催化的反应类型n交叉偶联反应 Suzuki反应、Stille反应、Sonogashira反应、Heck反应等n醇需氧氧化反应
16、n聚合反应n氢化反应n。在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么四、交叉偶联反应四、交叉偶联反应在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么SuzukiHeckKumadaStilleSonagashiraHiyamaBuchwald-HartwigX=Hal,Tosylate在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么2010年诺贝尔化学奖:金属钯催化的交叉偶联反应研究Heck Negishi Suzuki c
17、oupling在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么10月7日,75岁的美国珀杜大学教授根岸英一在得知自己获得诺贝尔化学奖后,用流利的日语说:“我接受了美国的教育,在这里学习、工作了五十余年,但我至今依旧拿着日本护照,我希望你们告诉国内同胞,让他们和我一起分享这个快乐!”也是在那一天,80岁的北海道大学名誉教授铃木章来到大学的会议室。他对记者说,“日本是个没有什么资源的国家,我们只有人,只能依靠人的努力获取各种知识。理科的发展对国家来说非常重要。”在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为
18、浪费这一点点算不了什么大多数偶联反应具有相似的催化循环过程大多数偶联反应具有相似的催化循环过程在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么1.催化剂种类催化剂种类n磷配体磷配体n环钯催化剂环钯催化剂nN-杂环卡宾催化剂杂环卡宾催化剂n其他含氮配体其他含氮配体n负载型纳米钯催化剂负载型纳米钯催化剂配体配体n活性中间体的溶解性活性中间体的溶解性n催化剂的空间位阻催化剂的空间位阻n金属中心的电子密度金属中心的电子密度n催化剂活性催化剂活性n催化剂寿命和循环数催化剂寿命和循环数n光学选择性光学选择性在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。
19、也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么磷配体n磷配体是强配体和弱接受体n磷原子的取代基R影响磷配体的电子密度n富电子的活性金属中间体有利于发生氧化加成在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么圆锥角与磷配体的空间性质圆锥角与磷配体的空间性质圆锥角越大,磷配体的空间体积越大,越容易从金属圆锥角越大,磷配体的空间体积越大,越容易从金属中心上离去,形成缺电子的活性中间体,有利于氧化中心上离去,形成缺电子的活性中间体,有利于氧化加成加成在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪
20、费这一点点算不了什么Phosphine LigandsCone Angles-DonorStabilityTriphenylphosphine145o中中Air StableTricyclohexylphosphine170o强强Air SensitiveTri-(tert-butyl)Phosphine182o强强Air SensitiveTrimesitylphosphine212o中强中强Air StableTrimethylphosphine118o中强中强Air Sensitive在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么
21、磷配体的合成路线磷配体的合成路线Two Major Routes:Radical Addition of Alkenes to PhosphinesNucleophilic Substitution of Phosphine Halogenides with Grignard or Organo Lithium Compounds在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么n常见的磷配体常见的磷配体在日常生活中,随处都可以看到浪费粮食的现象。也许你并未意识到自己在浪费,也许你认为浪费这一点点算不了什么n水溶性磷配体水溶性磷配体在日常生
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