偶联反应

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偶联反应,也写作偶合反应耦联反应,是两个化学实体(或单位)结合生成一个分子的有机化学反应。狭义的偶联反应是涉及有机金属催化剂的碳-碳键形成反应,根据类型的不同,又可分为交叉偶联自身偶联反应。 在偶联反应中有一类重要的反应,RM(R = 有机片段, M = 主基团中心)与R'X的有机卤素化合物反应,形成具有新碳-碳键的产物R-R'。 [1] 由于在偶联反应的突出贡献,根岸英一铃木章理查德·赫克共同被授予了2010年度诺贝尔化学奖[2]

偶联反应大体可分为两种类型:

  • 交叉偶联反应:两种不同的片段连接成一个分子,如:溴苯 (PhBr)与氯乙烯形成苯乙烯(PhCH=CH2)。
  • 自身偶联反应:相同的两个片段形成一个分子,如:碘苯 (PhI)自身形成 联苯 (Ph-Ph)。

反应机理[编辑]

偶联反应的反应机理通常起始于有机卤代烃和催化剂的氧化加成。第二步则是另一分子与其发生金属交换,即将两个待偶联的分子接于同一金属中心上。最后一步是还原消除,即两个待偶联的分子结合在一起形成新分子并再生催化剂。不饱和的有机基团通常易于发生偶联,这是由于它们在加合一步速度更快。中间体通常不倾向发生β-氢消除反应[3]

在一项计算化学研究中表明,不饱和有机基团更易于在金属中心上发生偶联反应。[4]还原消除的速率高低如下:

乙烯基-乙烯基 > 苯基-苯基 > 炔基-炔基 > 烷基-烷基

不对称的R-R′形式偶联反应,其活化能垒与反应能量与相应的对称偶联反应R-R与R′-R′的平均值相近,如:乙烯基-乙烯基 > 乙烯基-烷基 > 烷基-烷基。

另一种假说认为,在水溶液当中的偶联反应其实是通过自由基机理进行,而不是金属-参与机理。[5]

催化剂[编辑]

偶联反应中最常用的金属催化剂是催化剂,有时也使用催化剂。钯催化剂当中常用的如:四(三苯基膦)钯等。钯催化的有机反应有许多优点,如:官能团的耐受性强,有机钯化合物对于空气的低敏感性。

如下一些关于钴催化的偶联反应的综述[6],钯[7][8][9][10][11]和镍[12]介导的反应以及它们的应用[13][14]

离去基团[编辑]

离去基团X在有机偶联反应中,常常为三氟甲磺酰基。较理想的离去基团为,因有机氯化合物相对其他的这些离去基团更廉价易得。与之反应的有机金属化合物还有

操作条件[编辑]

虽然大多的偶联反应所涉及的试剂都对于水和空气极其敏感,但不可认为所有的有机偶联反应需要绝对的无水无氧条件。有些有机钯介导的反应就可在水溶液中,使用三苯基膦和硫酸制备的磺化膦试剂进行反应。[15] 总体来讲,空气中的氧气能够影响偶联反应,这是因为大多这类反应都是通过不饱和金属络合物发生反应,而这些络合物都不满足18共价电子的稳定结构。

偶联反应类型[编辑]

常见的偶联反应包括:

反应名称 发现年代 反应物A 反应物B 类型 催化剂 备注
武兹反应(Wurtz reaction) 1855 R-X sp³ R-X sp³ 自身 以Na消除反应物的卤原子
格拉泽偶联反应(Glaser coupling) 1869 RC≡CH sp RC≡CH sp 自身 Cu 氧气作为H受体
乌尔曼反应(Ullmann reaction) 1901 Ar-X sp² Ar-X sp² 自身 Cu 高温
冈伯格-巴克曼反应 1924 Ar-H sp² Ar-N2X sp² 自身 需碱参与
Cadiot-Chodkiewicz偶联反应 1957 RC≡CH sp RC≡CX sp 交叉 Cu 需碱参与
Castro-Stephens偶联反应 1963 RC≡CH sp Ar-X sp² 交叉 Cu
吉尔曼试剂偶联反应(Gilman reagent coupling) 1967 R2CuLi R-X 交叉
Cassar反应 1970 烯烃 sp² R-X sp³ 交叉 Pd 需碱参与
熊田偶联反应(Kumada coupling) 1972 Ar-MgBr sp², sp³ Ar-X sp² 交叉 Pd or Ni
赫克反应(Heck reaction) 1972 烯烃 sp² R-X sp² 交叉 Pd 需碱参与
薗头偶联反应(Sonogashira coupling) 1975 RC≡CH sp R-X sp³ sp² 交叉 Pd and Cu 需碱参与
根岸偶联反应(Negishi coupling) 1977 R-Zn-X sp³, sp², sp R-X sp³ sp² 交叉 Pd or Ni
施蒂勒反应(Stille coupling) 1978 R-SnR3 sp³, sp², sp R-X sp³ sp² 交叉 Pd
铃木反应(Suzuki reaction) 1979 R-B(OR)2 sp² R-X sp³ sp² 交叉 Pd 需碱参与
Hiyama偶联反应 1988 R-SiR3 sp² R-X sp³ sp² 交叉 Pd 需碱参与
Buchwald–Hartwig偶联反应 1994 R2N-R SnR3 sp R-X sp² 交叉 Pd N-C偶联反应
福山偶联反应(Fukuyama coupling) 1998 RCO(SEt) sp2 R-Zn-I sp3 交叉 Pd
偶联反应一览. 参考文献见子页面

杂项反应[编辑]

一种基于芳基卤代烃和全氟代苯的钯-催化偶联反应由基思·法纽(Keith Fagnou)和其同事所报道。对于这种缺电子的芳环来讲,这类官能团化反应很不寻常。[16]

Fluoroarene coupling

应用[编辑]

许多偶联反应已经广泛的应用于制药工业[17]和相关的工业原料[18]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Organic Synthesis using Transition Metals Rod Bates ISBN 978-1-84127-107-1
  2. ^ The Nobel Prize in Chemistry 2010 - Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki. NobelPrize.org. 2010-10-06 [2010-10-06]. 
  3. ^ Hartwig, J. F. Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis; University Science Books: New York, 2010. ISBN 189138953X
  4. ^ V. P. Ananikov, D. G. Musaev, K. Morokuma, “Theoretical Insight into the C-C Coupling Reactions of the Vinyl, Phenyl, Ethynyl, and Methyl Complexes of Palladium and Platinum” Organometallics 2005, 24, 715. doi:10.1021/om0490841
  5. ^ Benny Bogoslavsky, Ophir Levy, Anna Kotlyar, Miri Salem, Faina Gelman and Avi Bino. Do Carbyne Radicals Really Exist in Aqueous Solution?. Angewandte Chemie International Edition. 2012, 51 (1): 90–94. doi:10.1002/anie.201103652. PMID 22031005. 
  6. ^ Cobalt-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Grard Cahiez and Alban Moyeux Chem. Rev., 2010, 110 (3), pp 1435–1462 Publication Date (Web): February 11, 2010 (Review) doi:10.1021/cr9000786
  7. ^ Carbon−Carbon Coupling Reactions Catalyzed by Heterogeneous Palladium Catalysts Lunxiang Yin and Jürgen Liebscher Chem. Rev., 2007, 107 (1), pp 133–173 Publication Date (Web): December 21, 2006 (Article) doi:10.1021/cr0505674
  8. ^ Advances in Transition Metal (Pd,Ni,Fe)-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Using Alkyl-organometallics as Reaction Partners Ranjan Jana, Tejas P. Pathak, and Matthew S. Sigman Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 1417–1492 doi: 10.1021/cr100327p
  9. ^ Efficient, Selective, and Recyclable Palladium Catalysts in Carbon−Carbon Coupling Reactions rpd Molnr Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 2251–2320 doi:10.1021/cr100355b
  10. ^ Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organoboron Compounds Norio. Miyaura, Akira. Suzuki Chem. Rev., 1995, 95 (7), pp 2457–2483 doi:10.1021/cr00039a007
  11. ^ Diazonium Salts as Substrates in Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Anna Roglans, Anna Pla-Quintana, and Marcial Moreno-Mañas Chem. Rev., 2006, 106 (11), pp 4622–4643 doi:10.1021/cr0509861
  12. ^ Nickel-Catalyzed Cross-Couplings Involving Carbon−Oxygen Bonds Brad M. Rosen, Kyle W. Quasdorf, Daniella A. Wilson, Na Zhang, Ana-Maria Resmerita, Neil K. Garg, and Virgil Percec Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 1346–1416 doi:10.1021/cr100259t
  13. ^ Selected Patented Cross-Coupling Reaction Technologies Jean-Pierre Corbet and Gérard Mignani Chem. Rev., 2006, 106 (7), pp 2651–2710 2006 (Article) doi:10.1021/cr0505268
  14. ^ Copper-Mediated Coupling Reactions and Their Applications in Natural Products and Designed Biomolecules Synthesis Gwilherm Evano, Nicolas Blanchard and Mathieu Toumi Chem. Rev., 2008, 108 (8), pp 3054–3131 doi:10.1021/cr8002505
  15. ^ Benny Bogoslavsky, Ophir Levy, Anna Kotlyar, Miri Salem, Faina Gelman and Avi Bino. Do Carbyne Radicals Really Exist in Aqueous Solution?. Angewandte Chemie International Edition. 2012, 51 (1): 90–94. doi:10.1002/anie.201103652. PMID 22031005. 
  16. ^ M. Lafrance, C. N. Rowley, T. K. Woo and K. Fagnou. Catalytic Intermolecular Direct Arylation of Perfluorobenzenes. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (27): 8754–8756. doi:10.1021/ja062509l. PMID 16819868. 
  17. ^ R.H. Crabtree, The Organometallic Chemistry of the Transition Metals 4th Ed.
  18. ^ Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis John Hartwig