金属钯在有机反应中的催化应用

关于金属钯在有机反应中的催化应用主要内容Pd催化剂的独特地位金属配合物的基元反应金属钯催化的反应类型交叉偶联反应醇需氧氧化反应第2页,共111页，星期六，2024年，5月一、金属钯催化剂的独特地位

1.金属在有机化学中的应用绝大多数有机化合物由C、H、N、O、S、P等非金属元素组成但元素周期表中3/4的的元素为金属元素多种金属元素已经被应用于有机化学反应第3页,共111页，星期六，2024年，5月

活泼主族金属元素：如Li、K、Na、Mg、CaCH3Lit-BuOKNaBH4CaH2NaNH2CH3MgCl第三主族金属元素（Lewis酸催化剂）：傅克反应硼氢化还原反应过渡金属

(1)过渡金属试剂参与化学计量反应KMnO4CrO3Zn-Hg(2)过渡金属催化剂

OrganometallicChemistryDirectedTowardsOrganicSynthesis(OMCOS)

Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Rh、Ru等等第4页,共111页，星期六，2024年，5月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。第5页,共111页，星期六，2024年，5月第6页,共111页，星期六，2024年，5月第7页,共111页，星期六，2024年，5月第8页,共111页，星期六，2024年，5月2.为什么是Pd？Pd作为第46号元素，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。适度的原子尺寸与其多样的化学性质紧密相关，比如Pd配合物的稳定性以及催化性能的多样性。第9页,共111页，星期六，2024年，5月Pd倾向于0和+2两个氧化态：Pd(0)——Pd(II)Pd的这种性质与其原子半径是紧密相关的。原子半径较大的金属Pt倾向于形成Pt(IV)d6的八面体配合物，而原子半径较小的金属Ni则可以通过一个单电子过程形成一个Ni(I)物种。当然金属Ni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联系在一起的。Pd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Ni催化的有机反应却往往产生复杂的副反应。因此，与Ni相比，Pd在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Pd配合物在参与有机反应时具有更高的稳定性。2.为什么是Pd？第10页,共111页，星期六，2024年，5月2.为什么是Pd？Pd是典型的后过渡金属，倾向于生成d10和d8的配合物，分别对应0和+2两个低氧化态。

Pd能够形成相对稳定的16e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被占有的非键轨道。作为LUMO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HOMO提供Lewis酸性和亲核空位。因此，Pd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，Pd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所在。第11页,共111页，星期六，2024年，5月2.为什么是Pd？Pd-C键具有特殊的稳定性。金属Pd和C的Pauling电负性分别为2.2和2.5。因此，Pd-C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，Pd-C键对羰基、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。第12页,共111页，星期六，2024年，5月2.为什么是Pd？Pd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。醛基与Pd可以通过C-H活化生成酰基-Pd配合物，继而发生去羰化反应。而酮类则可以被Pd催化氢化还原为醇。最后，Pd的毒性很小。因此Pd可以作为催化剂大量应用在工业生产的过程中。第13页,共111页，星期六，2024年，5月二、金属钯配合物的基元反应

Pd(0)LnPd(II)LnPd(0)价层轨道电子排布为4d10，根据18e规则，Pd(0)可以结合四个配体，生成18e配合物，与大体积配体可以生成配位不饱和的16e或14e配合物。

PdL4的空间构型一般为四边形，价层轨道杂化形式为dsp2。第14页,共111页，星期六，2024年，5月1.氧化加成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化态升高2。第15页,共111页，星期六，2024年，5月第16页,共111页，星期六，2024年，5月2.还原消除第17页,共111页，星期六，2024年，5月3.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第18页,共111页，星期六，2024年，5月第19页,共111页，星期六，2024年，5月4.转金属化第20页,共111页，星期六，2024年，5月5.β-H消除第21页,共111页，星期六，2024年，5月

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发生配位反应，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活化状态，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要的作用。配位催化三、金属钯催化的反应类型第22页,共111页，星期六，2024年，5月三、金属钯催化的反应类型Wacker反应第23页,共111页，星期六，2024年，5月金属钯催化的一般过程第24页,共111页，星期六，2024年，5月Pd催化的反应类型交叉偶联反应

Suzuki反应、Stille反应、Sonogashira反应、Heck反应等醇需氧氧化反应聚合反应氢化反应。。。。。。第25页,共111页，星期六，2024年，5月四、交叉偶联反应第26页,共111页，星期六，2024年，5月SuzukiHeckKumadaStilleSonagashiraHiyamaBuchwald-HartwigX=Hal,Tosylate第27页,共111页，星期六，2024年，5月2010年诺贝尔化学奖：金属钯催化的交叉偶联反应研究HeckNegishiSuzukicoupling第28页,共111页，星期六，2024年，5月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。”第29页,共111页，星期六，2024年，5月大多数偶联反应具有相似的催化循环过程第30页,共111页，星期六，2024年，5月1.催化剂种类磷配体环钯催化剂N-杂环卡宾催化剂其他含氮配体负载型纳米钯催化剂配体活性中间体的溶解性催化剂的空间位阻金属中心的电子密度催化剂活性催化剂寿命和循环数光学选择性第31页,共111页，星期六，2024年，5月磷配体磷配体是强σ配体和弱π接受体磷原子的取代基R影响磷配体的电子密度富电子的活性金属中间体有利于发生氧化加成第32页,共111页，星期六，2024年，5月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，越容易从金属中心上离去，形成缺电子的活性中间体，有利于氧化加成第33页,共111页，星期六，2024年，5月PhosphineLigandsConeAngles-DonorStabilityTriphenylphosphine145o中AirStableTricyclohexylphosphine170o强AirSensitiveTri-(tert-butyl)Phosphine182o强AirSensitiveTrimesitylphosphine212o中强AirStableTrimethylphosphine118o中强AirSensitive第34页,共111页，星期六，2024年，5月磷配体的合成路线TwoMajorRoutes:RadicalAdditionofAlkenestoPhosphinesNucleophilicSubstitutionofPhosphineHalogenideswithGrignardorOrganoLithiumCompounds第35页,共111页，星期六，2024年，5月常见的磷配体第36页,共111页，星期六，2024年，5月水溶性磷配体第37页,共111页，星期六，2024年，5月第38页,共111页，星期六，2024年，5月环钯催化剂第39页,共111页，星期六，2024年，5月环钯配合物的合成第40页,共111页，星期六，2024年，5月N-杂环卡宾亲核性的N-杂环卡宾(NHC)配体是强σ供体，被称为“类膦配体”。

第41页,共111页，星期六，2024年，5月2005年诺贝尔化学奖：卡宾钌催化的金属复分解反应第42页,共111页，星期六，2024年，5月负载型纳米钯催化剂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。有序介孔材料具有较大的比表面积和规则的有序孔结构利用有序孔结构限制或调整固载催化剂的微观形貌第43页,共111页，星期六，2024年，5月2.Heck反应倾向于生成空间位阻小的反式偶联产物第44页,共111页，星期六，2024年，5月第45页,共111页，星期六，2024年，5月第46页,共111页，星期六，2024年，5月第47页,共111页，星期六，2024年，5月3.Suzuki反应芳基硼酸与卤代芳烃反应生成联芳基化合物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、产率高以及芳基硼酸经济易得且对水不敏感等优越性而成为普遍使用的Csp2-Csp2偶联方法。

第48页,共111页，星期六，2024年，5月含氯环肽A第49页,共111页，星期六，2024年，5月Suzuki反应的机理氧化加成是整个催化循环的速度控制步骤，因此反应活性ArI>ArOTS~ArBr>ArCl>>ArF第50页,共111页，星期六，2024年，5月Suzuki反应的要素芳基硼酸、硼酸酯、四苯硼酸盐卤代芳烃、芳基磺酸酯[Pd]碱：KOHNaCO3K2CO3CsCO3K3PO4等反应介质：有机溶剂、离子液体、H2O反应手段：室温、加热、微波等第51页,共111页，星期六，2024年，5月4.Sonogashira反应Sonogashira反应是合成芳基炔烃的最有效方法之一目前，该反应已经可以在无铜条件下实现

第52页,共111页，星期六，2024年，5月TMSAcetyleneinSonogashiraCouplingTheUseofSilylatedAcetyleneAvoidsCouplingatBothPositionsTheSilyl-ProtectingGroupcanbeRemovedin-situ,toEnabletheSecondCouplingReactioni.e.fortheSynthesisofUn-Symmetricbis-Arylethynes7

第53页,共111页，星期六，2024年，5月第54页,共111页，星期六，2024年，5月5.StilleCoupling反应金属钯催化的有机锡试剂与卤代芳烃之间的偶联反应顺序:Alkynyl>Alkenyl>Aryl>Allyl~Benzyl>Alkyl.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！！！

第55页,共111页，星期六，2024年，5月第56页,共111页，星期六，2024年，5月6.HiyamaCouplingReaction第57页,共111页，星期六，2024年，5月与Stille偶联相比，避免使用有毒的有机锡试剂第58页,共111页，星期六，2024年，5月7.KumadaCouplingKumada反应是Ni或Pd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Negishi反应。第59页,共111页，星期六，2024年，5月(+)-Ambrucitin13第60页,共111页，星期六，2024年，5月8.BuchwaldHartwigChemistry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芳基醚。芳基醚经常用作高品质的润滑剂等。第61页,共111页，星期六，2024年，5月第62页,共111页，星期六，2024年，5月第63页,共111页，星期六，2024年，5月

InexpensiveNonflammableNontoxicEnvironmentallysustainableWater/OthersolventbiphasicsolventsystemWater:AGreenSolvent水相中的Suzuki反应第64页,共111页，星期六，2024年，5月水溶性磷配体第65页,共111页，星期六，2024年，5月1.Pd/水溶性α–双亚胺配合物催化的Suzuki反应1.1水溶性双亚胺的合成第66页,共111页，星期六，2024年，5月第67页,共111页，星期六，2024年，5月反应要素：[Pd],Base,Ligand1.2Pd/diiminecatalyzedSuzukicouplinginaqueousphase1.2.1反应条件优化第68页,共111页，星期六，2024年，5月Reactionconditions：3％Pd(OAc)2,3.6％Ligand5,2mLDMA,2equivBase,80℃,N2,1h.GCyieldbasedonbromobenzeneEntryBaseGCYield（%）1Na2CO3602K2CO3713NaOAc204NaHCO3155NEt3106NaOCH3437KOH658NaOH40BaseLigandsLigandGCYield(%)1234567893537.460587273.828.422.527.3第69页,共111页，星期六，2024年，5月AqueousSuzukicouplingComplex1Complex2第70页,共111页，星期六，2024年，5月PdprecursorscreeningEntryCatalystCat%molSolventTBABT(℃)t(h)Yield1Complex10.01H2O0754702Complex20.010754573PdCl20.010.5751.5564Li2PdCl40.010.5751.5475Complex10.01H2O0.5751.592(A)6Complex20.010.5751.5677Complex10.010.5751.5858Complex10.01010045min989Complex10.01H2O/EtOHd0701.599(B)10Complex10.105039911Complex10.1H2O/EtOHd0181293(C)12Complex10.00010701098第71页,共111页，星期六，2024年，5月OptimizationofSuzukicouplinginaqueousphaseReactioncondition:1.0mmolarylhalide,1.3mmolarylboronicacid,2mmolK2CO3,reacitiontimenotoptimized,MethodA:0.01mol%Complex1,5mLdeionizedwater,75℃,0.5equivTBAB,3-5h.MethodB:0.01mol%Complex1,EtOH/H2O=1mL:1mL,70℃,underair,1.5-2h.MethodC:sametomethodB,but0.1mol%catalyst,rt.(about18-20℃),10h第72页,共111页，星期六，2024年，5月EntryXYZMethodIsolatedYield(%)1BrHHAB99992Br4-MeHABC9899953Br4-ClHAB99994Br4-OMeHABC9999905Br4-OMe4-MeAB97986Br4-OMe4-MeCcC25937Br4-OMe4-OMeAB9798第73页,共111页，星期六，2024年，5月8Br4-OMe4-ClAB96999Br2-MeHABBd80929810Br3-NO2HA9811Br4-OHHAeC959812Cl4-NO2HA9813fCl4-COMeHA8014fClHHA20g15fCl4-CH3HA<5gReactioncondition:1.0mmolarylhalide,1.3mmolarylboronicacid,2mmolK2CO3,reacitiontimenotoptimized,MethodA:0.01mol%Complex1,5mLdeionizedwater,75℃,0.5equivTBAB,3-5h.MethodB:0.01mol%Complex1,EtOH/H2O=1mL:1mL,70℃,underair,1.5-2h.MethodC:sametomethodB,but0.1mol%catalyst,rt.(about18-20℃),10h第74页,共111页，星期六，2024年，5月2.水溶性环钯配合物催化的水相Suzuki反应2.1环钯配合物制备2.2不同环钯配合物催化性能比较2.3六元环钯配合物催化活性2.4Palladacycle1催化的水相Suzuki反应2.5Palladacycle1催化循环2.6催化机制第75页,共111页，星期六，2024年，5月2.1Preparationofpalladacycles第76页,共111页，星期六，2024年，5月Palladacycle6第77页,共111页，星期六，2024年，5月Cl3-Pd1-Cl3A=81.97°Pd1-Cl3-Pd1A=91.03°Cl3-Pd1A-Cl3A=81.97°Pd1-Cl3A-Pd1A=91.03°N1-Pd1-C23=89.11°Pd1-Cl3=2.344ÅPd1-C23=2.008ÅPd1-Pd1A=3.626Å第78页,共111页，星期六，2024年，5月EntryPalladacycleCat.(%)T(℃)Yield110.01100992298338044815592660.0596770.0596830.181910.1308610364115702.2Catalyticactivitiesofdifferentpalladacycles第79页,共111页，星期六，2024年，5月EntryCat.[Pd]%molSolventBaseT(℃)t(h)Conv.Yield111CH3CNK2CO3503Trace211CH3CN/H2OK2CO350330310.01EtOHK2CO380310098410.05EtOHK2CO3151010510.05H2O/EtOHK2CO315445406NaOAc154207KOH15455508H2O/EtOHKOH151010099910.1H2O/EtOHKOH20599952.3Six-memberedpalladacyclecatalyticsystem

第80页,共111页，星期六，2024年，5月1060.05EtOHKOH1510151160.1K2CO31510251260.05H2O/EtOHKOH155100991310.01H2OK2CO31001901410.01H2OKOH100199961510.1H2OKOH30455501660.1H2OKOH304111710.1H2OKOH30108682第81页,共111页，星期六，2024年，5月EntryArX[Pd]%molT(℃)t(h)Conv.

Yield

TON10.01301225250020.018019290920030.01100199989900400001100590879.0*10560.000011001593909.3*1067p-HOC6H4Br0.13012969596082-MeC6H4Br0.0210039690480094-NH2C6H4Br0.011001.59694104-NO2C6H4Cl0.0110019895980011C6H5Cl1140104038124-MeC6H4Cl11401552.4Palladacycle1catalyticsystem第82页,共111页，星期六，2024年，5月2.5Reuseofpalladacycle1aReactionyieldbycycleEntryCatalystMol%123456781Li2PdCl40.19775202b10.019995926240403c10.19792986799d90d4

b10.19997989160993720530.01834510630.1805087Pd/Diimine0.19994601081+Buchwald2999999989793aReactionconditions:1mmolof4-bromoanisole,1.5mmolofphenylboronicacid,2equivKOH,20mLofwater,palladacycle1,100℃,1h.GCyield,averageofthreeruns.b

1.5hforcycle1-3;2hforcycle4,5;15hforcycle6-8.c1hforcycle1-4.d18h.第83页,共111页，星期六，2024年，5月2.6Mechanismofpalladacyclecatalyticsystem2.6.1Nanopalladium-therealcatalyticspecies??Five-memberedpalladacycleSix-memberedpalladacycle第84页,共111页，星期六，2024年，5月2.6.2Thereleaseofnanopalladium第85页,共111页，星期六，2024年，5月BeforereactionCycle1Cycle2Cycle32.6.3Reuseofpalladacycle1detectedbyTEM第86页,共111页，星期六，2024年，5月Phenylboronicanionandthetwopossibilitiesofbindingtothepalladiumnanoparticlesurface为什么Pd纳米粒子不聚集沉淀？第87页,共111页，星期六，2024年，5月2.6.4Reuseofpalladacycle1withsurfactants

aReactionyieldbycyclebEntryCatalystS/[Pd]12345c110979298679921+TBAB100999993636031+TBAB1000998786494041+PVP2098806051+PVP1020986032aReactionconditions:1mmolof4-bromoanisole,1.5mmolofphenylboronicacid,2equivKOH,20mLofwater,100℃,1hforcycles1-4.bGCyieldbasedon4-bromoanisole,averageofthreeruns.c18h.第88页,共111页，星期六，2024年，5月水溶性环钯配合物催化体系合成了一系列新的水溶性希夫碱环钯配合物。其中六元环钯配合物对水相中溴代芳烃的偶联具有极高的催化活性，是一种能够循环利用的水相Pd纳米粒子催化Suzuki反应体系。利用TEM研究了环钯配合物的催化机制。第89页,共111页，星期六，2024年，5月五、Pd催化的醇需氧氧化反应原子经济性和环境友好的化学氧化过程第90页,共111页，星期六，2024年，5月Wacker反应历程第91页,共111页，星期六，2024年，5月Pd-oxidaseprocess第92页,共111页，星期六，2024年，5月常见的配体或催化剂体系第93页,共111页，星期六，2024年，5月Pd(OAc)2-DMSO体系1998年，Peterson等开创了Pd(OAc)2/DMSO反应体系，成功地将一级烯丙基醇和芳香二级醇高选择性地氧化成醛和酮，扩大了对醇的氧化范围，由于反应条件温和、操作简单，在合成上具有很大的应用价值。第94页,共111页，星期六，2024年，5月Pd(OAc)2-Pyridine体系高产率的氧化苄醇、脂肪伯醇、脂肪仲醇以及烯丙基醇等几乎所有类型的醇类。并且可以以空气代替氧气作为氧化剂来源。第95页,共111页，星期六，2024年，5月Pd(OAc)2-NEt3体系第一个室温下可行的醇需氧氧化催化体系第96页,共111页，星期六，2024年，5月Pd-NHCs体系第97页,共111页，星期六，2024年，5月Pd(OAc)2-PhenS*水相催化体系迄今为止最成功的水相醇需氧氧化催化体系循环使用10次以上避免使用有机溶剂，产物更易分离第98页,共111页，星期六，2024年，5月二级醇的动力学手性拆分使用手性配体，选择性的氧化特定光学手性的醇为醛类，从而达到拆分外消旋二级醇的目的。反应可以选择性地把(R)-α-苯乙醇氧化成酮，而(S)-α-苯乙醇却不被氧化，这样就现了对α-苯乙醇的动力学手性拆分，拆分二级醇的最高ee值可达到99.8％。第99页,共111页，星期六，2024年，5月Pd(OAc)2/diimine催化的醇需氧氧化体系Anenvironmental-friendlychemicalprocess！第100页,共111页，星期六，2024年，5