金属钯在有机反应中的催化应用

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等非金属元素组成等非金属元素组成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

2、反应多种金属元素已经被应用于有机化学反应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 CrO3 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

3、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。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

4、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。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) 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，而原子半的八面体配合物，而原子半径较小的金属径较小的金属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)物种。当然金

5、属物种。当然金属Ni的这一性质可能使其在一定程度上比金的这一性质可能使其在一定程度上比金属属Pd具有更多样化的应用。然而，反应活性与不稳定性总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。是联系在一起的。Pd配合物的相对稳定性更有利于催化反配合物的相对稳定性更有利于催化反应的选择性和最大限度地避免副反应。而很多应的选择性和最大限度地避免副反应。而很多Ni催化的有催化的有机反应却往往产生复杂的副反应。因此，与机反应却往往产生复杂的副反应。因此，与Ni相比，相比，Pd在在催化有机反应时具有更高的化学和立体选择性；或者说，催化有机反应时具有更高的化学和立体选择性；或者说，有机有机Pd

6、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？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被占有的非键轨道。作为道和被占有的非键轨道。作为LUMO的价层空轨道可以提的价层空轨道可以提供供Lewis碱

7、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。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。

8、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。 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Pd催化氢化还

9、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。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

10、式为dsp2。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。2. 2. 还原消除还原消除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4. 转金属化5. -H消除消除 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

11、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CH2=CH2 + H2O + PdCl2 CH3CHO + 2HCl + Pd(0)Pd(0) + 2 CuCl2 PdCl2 + 2 CuCl2CuCl + 2 HCl + 1/2 O2

12、2 CuCl2 + H2OCH2=CH2 + 1/2 O2 CH3CHOPdCl2CuCl2金属钯催化的一般过程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n聚合反应n氢化反应n。四、交叉偶联反应四、交叉偶联反应XBOHROHRRRRMgBrRRSnnBUnBUnBURRRRSiCH3CH3CH3RNHRRNRR+Pd (0)SuzukiHeckKumadaStilleSonagashiraHiyamaBuchwald-HartwigX = Hal, Tosylate2010年诺贝尔化学奖：金属钯催化的交叉偶联

13、反应研究Heck Negishi Suzuki coupling10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。”LRXRXR1MXMRR1RR1R1RLPdLL+2M = H or MetalOxidative AdditionRate Deter

14、mining StepI OSO2CF3 Br ClTransmetalationPdLL+2PdL+2Cis Trans IsomerizationLReductive EliminationPd (0)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

15、化剂寿命和循环数n光学选择性光学选择性磷配体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MRPRR Acceptor-DonorPRRR.圆锥角与磷配体的空间性质圆锥角与磷配体的空间性质M cone angle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Phosphine LigandsCone Angle -DonorStabilityTriphenylphosphine145o中中A

16、ir StableTricyclohexylphosphine170o强强Air SensitiveTri-(tert-butyl) Phosphine182o强强Air SensitiveTrimesitylphosphine212o中强中强Air StableTrimethylphosphine118o中强中强Air Sensitive磷配体的合成路线磷配体的合成路线Two Major Routes: Radical Addition of Alkenes to PhosphinesCH2RPH3Radical InitiatorPH2RRPHRRadical InitiatorRPRRR

17、adical InitiatorNucleophilic Substitution of Phosphine Halogenides with Grignard or Organo Lithium CompoundsR1PR2ClR1PR2R3R3MPCy2NMe2PCy2P(t-Bu)2Me2NP(t-Bu)2PCy2PCy2iPrPCy2iPriPrPriPCy2OMeOMen常见的磷配体常见的磷配体PPPn水溶性磷配体水溶性磷配体COHHHHOOHHOHHCH2OHPCy2NHOPtBu2MeO-PEG-OPCy2OMeMeOSO3NaOHNOHHOHOHOCy2PO环钯催化剂环钯催化剂

18、PPdo-Tolo-TolXR2PdOPR2ClR1NPdtfaNOHClPdClCl2222NPdCl2PdPCy3tfaNMe2123FeNPdCl2环钯配合物的合成环钯配合物的合成N-杂环卡宾n亲核性的亲核性的N-杂环卡宾杂环卡宾 (NHC) 配体是强配体是强供体，供体，被称为被称为“类膦配体类膦配体”。 2005年诺贝尔化学奖：卡宾钌催化的金属复分解反应年诺贝尔化学奖：卡宾钌催化的金属复分解反应负载型纳米钯催化剂负载型纳米钯催化剂n许多偶联反应过程中起催化作用的活性中心实质是高活性的Pd纳米粒子。n有序介孔材料具有较大的比表面积和规则的有序孔结构n利用有序孔结构限制或调整固载催化剂的微

19、观形貌2. Heck反应反应RXRRXR1RR1+Pd-(PPh3)4Base -HX+Pd-(PPh3)4Base -HX倾向于生成空间位阻小的反式偶联产物倾向于生成空间位阻小的反式偶联产物LLPdLLPd2+RXR-XLLPd2+XRR1HHHLLPd2+HXCH2R1R1RStep 1: Oxidative additionStep 2: Olefin InsertionStep 3: -Hydride eliminationStep 4: Reductive eliminationBase3. Suzuki反应反应n芳基硼酸与卤代芳烃反应生成联芳基化合物芳基硼酸与卤代芳烃反应生成联芳基

20、化合物n该反应因具有反应条件温和、可容忍多种活性官该反应因具有反应条件温和、可容忍多种活性官能团、受空间位阻影响不大、产率高以及芳基硼能团、受空间位阻影响不大、产率高以及芳基硼酸经济易得且对水不敏感等优越性而成为普遍使酸经济易得且对水不敏感等优越性而成为普遍使用的用的Csp2-Csp2偶联方法。偶联方法。 BOHOHXR1 R2 R1 R2 Pd-CatalystBaseScheme 1含氯环肽含氯环肽A ArB(OH)2ArB(OH)3-NaOHPd(0)Ar-Pd-XArXNaOHAr-Pd-OHAr-Pd-ArNaX-B(OH)4Ar-ArArB(OH)2 + ArXAr-ArPdbas

21、eSuzuki反应的机理反应的机理氧化加成是整个催化循环的速度控制步骤，因此反应氧化加成是整个催化循环的速度控制步骤，因此反应活性活性ArIArOTSArBrArClArFSuzuki反应的要素n芳基硼酸、硼酸酯、四苯硼酸盐n卤代芳烃、芳基磺酸酯nPdn碱：KOH NaCO3 K2CO3 CsCO3 K3PO4等n反应介质：有机溶剂、离子液体、H2On反应手段：室温、加热、微波等4. Sonogashira 反应nSonogashira反应是合成芳基炔烃的最有效方法之一反应是合成芳基炔烃的最有效方法之一n目前，该反应已经可以在无铜条件下实现目前，该反应已经可以在无铜条件下实现XCHRPd-Ca

22、talystCu(I)-saltR+Scheme 1OOEtBrBrCHSiMe3(Ph3P)2PdCl2CuI, Et3NOOEtSiMe3SiMe3Scheme 2TMS Acetylene in Sonogashira CouplingThe Use of Silylated Acetylene Avoids Coupling at Both PositionsThe Silyl-Protecting Group can be Removed in-situ, to Enable the Second Coupling Reaction i.e. for the Synthesis of

23、 Un-Symmetric bis-Arylethynes7XR1CHSiMe3Pd-Cat. Cu(I)-salt, BaseSiMe3R1R2Scheme 35. Stille Coupling 反应n金属钯催化的有机锡试剂与卤代芳烃之间的偶金属钯催化的有机锡试剂与卤代芳烃之间的偶联联SnBu3CH2X+Pd-catCH2反应顺序反应顺序: Alkynyl Alkenyl Aryl Allyl BenzylAlkyl.有机卤代物可以是卤代芳烃、卤代烯烃或酰氯有机卤代物可以是卤代芳烃、卤代烯烃或酰氯有机锡试剂剧毒！有机锡试剂剧毒！ 6. Hiyama Coupling ReactionICl

24、OSiCH2-CH2-OSiClClOO+PdClPdClTASF, HMPA, 50 oC+0.5% PdCl2(PiPr3)26 Eq KF, DMF, 120oC与与Stille偶联相比，避免使用有毒的有机锡试剂偶联相比，避免使用有毒的有机锡试剂7. Kumada CouplingnKumada反应是反应是Ni或或Pd催化的卤代芳烃或烯烃与格氏催化的卤代芳烃或烯烃与格氏试剂的偶联反应，使用有机锌试剂则为试剂的偶联反应，使用有机锌试剂则为Negishi反应。反应。R1XMgBrR2+Pd or NicatalystR2R1MgBrCH3Cl+Pd(OAc)2PCy3CH3ClCl2 n-B

25、utyl-MgBr+(dppe)NiCl2CH3CH3BrBrOLiOLiPdCl2, PPh3PdCl2, PPh3OOOCH3CH3CH3ICH2MgBrPd(PPh3)4OCH3CH3CH3CH2(+)-Ambrucitin138. Buchwald Hartwig ChemistryHalNHRR1NRR1+Pd CatalystBase金属钯催化的卤代芳烃与伯胺或仲胺偶联生成取代苯胺金属钯催化的卤代芳烃与伯胺或仲胺偶联生成取代苯胺当使用醇或酚类为反应底物时，此反应可以用来合成当使用醇或酚类为反应底物时，此反应可以用来合成芳基醚。芳基醚经常用作高品质的润滑剂等。芳基醚。芳基醚经常用作高

26、品质的润滑剂等。PNCH3CH3PPCH3CH3CH3CH3CH3CH3AO 35621AO 35622AO 35623Scheme 2NN+CH3CH3CH3CH3CH3CH3AO 35619Cl-nInexpensivenNonflammablenNontoxic nEnvironmentally sustainablenWater/Other solvent biphasic solvent systemWater : A Green Solvent水相中的Suzuki反应n水溶性磷配体水溶性磷配体1. Pd/水溶性双亚胺配合物催化的Suzuki反应1.1 水溶性双亚胺的合成NO3SNS

27、O3NN +22-BrB(OH)2+NNRRRRSO3NaNaO3S反应要素：反应要素：Pd, Base, Ligand1.2 Pd/diimine catalyzed Suzuki coupling in aqueous phase1.2.1 反应条件优化反应条件优化Reaction conditions：3 Pd(OAc)2, 3.6 Ligand 5, 2mL DMA, 2equiv Base, 80, N2, 1h. GC yield based on bromobenzeneEntryBaseGC Yield（%）1Na2CO3602K2CO3713NaOAc204NaHCO3155

28、NEt3106NaOCH3437KOH658NaOH40Base LigandsLigandGC Yield(%)1234567893537.460587273.828.422.527.3Aqueous Suzuki couplingBrOMeB(OH)2OMeWater+Complex1 Complex 2NNPdClClSO3NaNaO3SNNPdAcOOAcSO3NaNaO3SPd precursor screeningEntryCatalystCat %molSolventTBABT()t(h)Yield1Complex1 0.01H2O075470 2Complex2 0.01075

29、457 3PdCl2 0.010.5751.5564Li2PdCl4 0.010.5751.5475Complex10.01H2O0.5751.592(A)6Complex2 0.010.5751.5677Complex1 0.010.5751.585 8Complex1 0.01010045min989Complex10.01H2O/EtOHd0701.599(B)10Complex10.105039911Complex1 0.1H2O/EtOHd0181293(C)12Complex10.00010701098Optimization of Suzuki coupling in aqueo

30、us phaseXY+B(OH)2ZYZPd/Ligand 6Reaction condition: 1.0 mmol aryl halide, 1.3 mmol arylboronic acid, 2 mmol K2CO3, reacition time not optimized, Method A: 0.01mol% Complex 1, 5 mL deionized water, 75, 0.5 equiv TBAB, 3-5 h. Method B: 0.01mol% Complex 1, EtOH/H2O=1mL :1mL, 70, under air, 1.5-2h . Meth

31、od C: same to method B, but 0.1mol% catalyst, rt. (about 18-20), 10h EntryXYZMethodIsolated Yield(%)1BrHHAB99992Br4-MeHABC9899953Br4-ClHAB99994Br4-OMeHABC9999905Br4-OMe4-MeAB97986Br4-OMe4-Me C cC25937Br4-OMe4-OMeAB97988Br4-OMe4-ClAB96999Br2-MeHAB Bd80929810Br3-NO2HA9811Br4-OHH AeC959812 Cl4-NO2HA98 13 fCl4-COMeHA80 14 fClHHA20 g 15 fCl4-CH3HA997481445001.1 溶剂溶剂Reaction condition: Pd(OAc)2 (0.05 mmol), Ligand 6 (0.05mmol), benzyl alcohol (1.0 mmol), NaOAc (1 equiv), solvent (5 mL), O2 1atm, 100, 5h.a 300mg MS3A b 0.5 mol% Pd(OAc)2, 10 atm