蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 1 第一章 過渡金屬催化的 活化 言 過渡金屬催化實現(xiàn) 活化 (斷裂 ) 一直以來都深深的吸引著全球的有機化學(xué)家，特別是從事金屬催化方向的化學(xué)家的關(guān)注和興趣。一方面是由于該課題的新穎性所致，另一方面， 活化的理念將對傳統(tǒng)的有機合成方法帶來新的應(yīng)用前景 1。然而，由于 自身的惰性以及周圍 存在大量的 ，導(dǎo)致 金屬難以 有效 插入 ，因此， 該方向的研究還不夠系統(tǒng)和全面。目前，活化 (斷裂 ) 仍是一個非常具有挑戰(zhàn)的課題。從時間上劃分， 活化 (斷裂 ) 先后經(jīng)歷兩個時間段：在 1999 年前，該方向的研究主要集中在金屬當(dāng)量參與反應(yīng)過程，而在以后的研究中，有機化學(xué)工作者將興趣鎖定在實現(xiàn)催化量的 活化 (斷裂 ) 以及發(fā)現(xiàn)和設(shè)計新的反應(yīng)。因此，在我們詳細(xì)討論催化反應(yīng)之前，先簡單回顧一下金屬當(dāng)量參與的 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)研究。 從微觀可逆性的觀點出發(fā)， 過渡金屬參與的 活化 (氧化加成反應(yīng) ) 是 形成 (還原消除反應(yīng) ) 的逆過程。盡管如此，相比后者來說， 活化 的 發(fā)展 還是 比較緩慢 的 ，這是由自身的鍵能所決定的 (00 或者說 活化是一個相比 形成熱力學(xué)不利的過程 2。 () 1 因此，要促進 活化可以從如下的兩個方面考慮：一方面是增加反應(yīng)起始物的能量，另一方面是降低反應(yīng)產(chǎn)物的能量。增加反應(yīng)物的能量是指可以使用一些具有高能的化合物，例如具有張力的三元環(huán)或四元環(huán)化合物，通過合適的金屬的插入，釋放反應(yīng) 物的能量來補償該反應(yīng)熱力學(xué)上的不足，從而形成相對更穩(wěn)定的擴環(huán)金屬化合物 3。從這個意義上講，所參與反應(yīng)的金屬最好是具有 14e 或 16e 的不飽和過渡金屬，這是對該反應(yīng)比較有利的。例如， 二氫化合物，經(jīng)過紫外激發(fā)失去一份子氫氣，得到不飽和的 16e 的中間態(tài)，繼而和液態(tài)的環(huán)蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 2 丙烷發(fā)生 化反應(yīng)得到 絡(luò)合物 。 該絡(luò)合物 經(jīng)過 升溫，發(fā)生碳骨架重排，得到熱力學(xué)較穩(wěn)定的四元環(huán)金屬 合物 4。 () 2 降低反應(yīng)產(chǎn)物能量的策略，一般是對沒有大張力的反應(yīng)物來實施的，目的是希望得到穩(wěn)定的金屬絡(luò)合物來驅(qū)動反應(yīng)發(fā)生。例如， 用前人報道的芳構(gòu)化策略 5，通過 u+ 參與反應(yīng)，實現(xiàn)了甲基的斷裂，從而得到一系列甾體化合物 6。 () 3 此外，對于沒有大張力的反應(yīng)物來說，生成環(huán)狀的穩(wěn)定的金屬螯合物，特別是五元環(huán)的金屬螯合物 7，也是一種實現(xiàn) 活化 (斷裂 ) 的有效方法。現(xiàn)了一系列具有 合的配體，能夠在溫和的條件下切斷穩(wěn)定的芳基化合物的 8。 () 4 盡管上述報道在 活化 (斷裂 ) 的研究中起了非常重要的作用，然而這些反應(yīng)卻集中在用當(dāng)量的金屬進行參與，而催化量的研究非常缺乏。此外，這些具有高穩(wěn)定性的有機金屬中間體也詮釋了從定量到催化量轉(zhuǎn)變的困難所在。因蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 3 此，要實現(xiàn)金屬在反應(yīng)中的催化量循環(huán)，一個從有機金屬中間體到有機化合物的轉(zhuǎn)變的能量釋放過程是非常必須的。總之，要實現(xiàn)一個催化的熱力學(xué)容易的過程，反應(yīng)終產(chǎn)物一定要比起始反應(yīng)物在能量上穩(wěn)定的多。 有張力分子的 活化 渡金屬直接切斷 目前 活化 (斷裂 ) 的研究工作還主要集中在對具有較大張力的分子結(jié)構(gòu)的反應(yīng)研究中。大部分工作都是通過金屬直接對 的插入，釋放三元環(huán)或四元環(huán)的張力能，得到相對較穩(wěn)定的四元環(huán)或五元環(huán)的環(huán)金屬絡(luò)合物，繼而發(fā)生反應(yīng)得到開環(huán)或擴環(huán)的產(chǎn)物。 同報導(dǎo)了 ) 參與的環(huán) 丙烷衍生物的選擇性 活化。該反應(yīng)是由 (無位阻的 氧化加成得到四元環(huán)金屬中間體， 再發(fā)生 除，最后還原消除完成催化循環(huán) 9。需要指出的是，該反應(yīng)在氫氣條件下，可一步得到加氫產(chǎn)物 ，如果沒有氫氣存在，則生成丙烯硅醚 。() 5 現(xiàn)環(huán)丁酮也可以發(fā)生類似上述的 活化反應(yīng)。該反應(yīng)通過 ) 對四元環(huán)的 氧化加成，在高壓下氫化 得到開環(huán)產(chǎn)物醇，具有很好的區(qū)域選擇性和立體選擇性 10。 () 6 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 4 研究表明，一些后過渡金屬能夠插入切斷聯(lián)苯烯的 ， 通過 形成五元環(huán)的金屬絡(luò)合物來釋放環(huán)張力。這些金屬絡(luò)合物和各種不飽和的小分子 (烯烴，炔烴等 ) 發(fā)生插入反應(yīng)，從而得到不同官能團化的產(chǎn)物 11。顯然，所有的這些產(chǎn)物都比聯(lián)苯烯自身加成，芳化，擴環(huán)要穩(wěn)定的多。 () 7 除了上述分子間發(fā)生的 擴環(huán)反應(yīng)，通過巧妙的設(shè)計，分子內(nèi)也能發(fā)生 活化從而一步構(gòu)筑傳統(tǒng)方法所不易得到或者操作復(fù)雜的骨架結(jié)構(gòu)。 下面的 兩個反應(yīng)均生成五元環(huán)金屬中間體，其中一個再發(fā)生還原消除或 除后異構(gòu)化得兩種產(chǎn)物 12；另一個和烯烴配位后插入，再還原消除得橋環(huán)化合物 13。需要指出的是，這種分子內(nèi)烯烴插入 鍵的反應(yīng)在金屬有機化學(xué)中非常稀少。 () 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 5 8 渡金屬經(jīng)過 活化 C, N, O 等原子和金屬相連時，通常會發(fā)生 得到開環(huán)的烷基金屬中間體，繼而發(fā)生一系列反應(yīng)。因此，在 活化研究中，經(jīng)常用該策略來設(shè)計和實現(xiàn)一些反應(yīng)， 釋放小環(huán)張力的一種非常有效地方法。 導(dǎo)了金屬 與的三級環(huán)丁醇的對映選擇性 斷裂的芳基化反應(yīng)。在該反應(yīng)中，關(guān)鍵步驟是原位生成 的醇鈀中間體發(fā)生 到幾乎定量的和高對映選擇性的 芳基酮。在手性控制方面，雙齒手性配體決定 斷裂的方向，即為產(chǎn)物的對映選擇性 14。 () 9 同理，當(dāng)所連金屬是 N 時， 在環(huán)丁酮?；康墓羌苤斜憩F(xiàn)的淋漓盡致。該反應(yīng)首先由 ) 對?；康?氧化加成，由于四元環(huán)張力的存在，繼而發(fā)生 再發(fā)生 除 得到氰基化合物 15。 (0) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 6 10 研究發(fā)現(xiàn)，如果將上述的兩種 活化方式聯(lián)合起來應(yīng)用，經(jīng)過一個巧妙的設(shè)計，可以一步構(gòu)筑在經(jīng)典有機合成中需要多步完成的分子。首先， ) 對環(huán)丁酮的 發(fā)生氧化加成形成五元環(huán)金屬絡(luò)合物，隨后 成第二次 活化， 再 經(jīng)過還原消除，異構(gòu)化得到穩(wěn)定的環(huán)己酮衍生物 16。 (1) 11 環(huán)張力分子的 活化 活化 上一小節(jié)中，我們詳細(xì)討論了 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)研究。然而，對于無環(huán)張力的分子， 活化的非常有效的手段，特別是對于三級醇骨架結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 斷裂。 1998 年， 展了 化的對無環(huán)張力高烯丙醇的 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)研究。在該反應(yīng)中， 對三級醇羥基發(fā)生氧化加成，隨后 鎳催化的碳 7 基消除，還 原消除得到苯甲酮和丙烯。由于穩(wěn)定的 3u(中間體 的生成，驅(qū)動了反應(yīng)的發(fā)生，同時，無高烯丙基的三級醇不參與反應(yīng)也佐證了如下的反應(yīng)歷程 17。 (2) 12 1999 年， 報導(dǎo)了通過 穩(wěn)定金屬中間體從而實現(xiàn) 斷裂的反應(yīng)。反應(yīng)中， ) 對 氧化加成，繼而脫除一分子二氧化碳，生成五元環(huán)金屬絡(luò)合物。該絡(luò)合物受到 穩(wěn)定作用，發(fā)生 8。 (3) 13 2001 年， 導(dǎo)了 化的 2偶聯(lián)反應(yīng)。該反應(yīng)的關(guān)鍵步驟是原位生成的二價醇鈀中間體發(fā)生 形成更加穩(wěn)定的 9。 (4) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 8 14 2003 年， 現(xiàn)三級炔丙醇在金屬 參與下能夠和丙烯酸酯發(fā)生反應(yīng)得到烯炔化合物。在該反應(yīng)中， 型碳鈀鍵的形成保證了反應(yīng)的順利進行，同時也提供了引入炔丙基的有效方法 20。 (5) 15 能團導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn) 活化 官能團導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn) 活化是指利用反應(yīng)中形成的穩(wěn)定環(huán)金屬絡(luò)合物作為驅(qū)動力，實現(xiàn) 的官能團化，這種方法普遍存在于過渡金屬參與的化學(xué)反應(yīng)中。一個非常具有代表性的例子是由 展的 8活化反應(yīng)。首先， ) 對羰基 位 插入，形成穩(wěn)定的五元環(huán)金屬絡(luò)合物 大大降低了 的活化能。當(dāng)喹啉酮的烷基存在 ，則該環(huán)金屬絡(luò)合物發(fā)生 除，得到 H 中間體，繼而在烯烴存蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 9 在下生成新的烷基喹啉酮。 例如，當(dāng) 8) 催化下反應(yīng)時，生成 811。 (6) 16 1999 年， 現(xiàn)惡唑啉作為導(dǎo)向基團能夠?qū)崿F(xiàn) 活化。金屬 ) 經(jīng)過氧化加成， 除，還原消除得到脫羰還原的產(chǎn)物。其中，五元環(huán)金屬絡(luò)合物 I) 的生成至關(guān)重要 ，推動反應(yīng)向右進行 22。 (7) 17 在官能團導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn) 活化的研究中， 型的配體也曾一度引起有機化學(xué)科學(xué)家的興趣。這類反應(yīng)一般含有 構(gòu)，能夠在氫氣或硅烷存在下發(fā)生氫解完成 活化 23。然而，如果將 型的配體由 成 構(gòu)，則發(fā)生 活化 24。 (8) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 10 18 由上述例子可以看出，官能團導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn) 活化的底物必須滿足幾何學(xué)的要求，即生成五元環(huán)金屬絡(luò)合物的過渡態(tài)。這種策略也可進一步 應(yīng)用 到臨時螯合輔助的，非官能團導(dǎo)向分子的 活化中去。 時螯合輔助的非官能團導(dǎo)向 的 活化 在本小節(jié)，我們來討論一下無環(huán)張力，無導(dǎo)向基團的 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)。這類分子的 活化研究可以采用臨時引入一個合適的螯合輔基，完成反應(yīng)后可通過簡單操作離去，例如水解 等 25。 1999 年， 導(dǎo)了利用 236，實現(xiàn)無張力酮的 活化。芐基丙酮作為底物和過量的叔丁基乙烯在 化劑存在下，生成烷基交換的酮和少量的苯乙烯 27。該反應(yīng)的具體過程是：首先，反應(yīng)物酮和臨時螯合輔基 23其次，金屬催化劑 ) 對亞胺 位 氧化加成，形成五元環(huán)金屬絡(luò)合物 繼而經(jīng) 除釋放一定能量 并生成 苯乙烯；再次，環(huán)金屬絡(luò)合物對叔丁基乙烯插入，還原消除得新的亞胺結(jié)構(gòu)；最后，在第一步縮合反應(yīng)中生成的水對所得亞胺進行水解，釋放出烷基交換的酮和 臨時螯合輔基，完成催化循環(huán)。由于反應(yīng)是一個熱力學(xué)平衡過程，因此，穩(wěn)定的五元環(huán)金屬絡(luò)合物的生成和高溫下苯乙烯的聚合是該反應(yīng)的驅(qū)動力。 (9) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 11 19 上述反應(yīng)中的底物酮也可改變成醇，反應(yīng)條件稍作變化即可發(fā)生醇的 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)。該過程由氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)和臨時螯合輔助的 活化反應(yīng)組成，堿的加入提高了反應(yīng)速率，同時也共催化了氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)的發(fā)生 28。 (0) 20 除了分子間可以在外部烯烴的存在下發(fā)生反應(yīng)，分子內(nèi)也可發(fā)生螯合輔助的 活化。一個比較有趣的例子是環(huán)狀酮或亞胺發(fā)生的 活化的骨架重排反應(yīng)。金屬 ) 首先氧化加成亞胺 位 ，形成五并八的環(huán)金屬絡(luò)蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 12 合物，經(jīng) 除后再對原位生成的烯烴進行插入得五并七的環(huán)金屬絡(luò)合物 一方面，該絡(luò)合物直接還原消除，水解，生成 一方面，該絡(luò)合物經(jīng)再次 除，烯烴插入，形成較穩(wěn)定的五并六環(huán)金屬絡(luò)合物，最后還原消除，水解，得 管在該過程中，環(huán)金屬絡(luò)合物對烯烴馬氏規(guī)則插入是一個熱力學(xué)不利的過程，然而，相比反應(yīng)起始物七元環(huán)亞胺，所得到的六元環(huán)和五元環(huán)酮能量低得多，因此促進了反應(yīng)的發(fā)生 29。 (1) 21 1999 年， 導(dǎo)了烯丙基胺等價于甲醛的官能團轉(zhuǎn)化反應(yīng)。該反應(yīng)過程先后經(jīng)歷 活化， 活化，最終得到對稱的酮。首先，烯丙基胺在金屬 在下異構(gòu)化成亞胺，隨后發(fā)生官能團導(dǎo)向的 活化生成五元環(huán)金屬絡(luò)合物 該絡(luò)合物在叔丁基烯烴存在下發(fā)生插入反應(yīng)，繼而還原消除得不對稱的亞胺。由于該類型的亞胺在高于 80 發(fā)生順反異構(gòu)化，因此為進一步 活化的發(fā) 生提供了可能。隨著溫度的升高，異構(gòu)化的亞胺在 過量的叔丁基烯烴存在下發(fā)生 活化得到對稱的亞胺。最后，亞胺經(jīng)過水解，生成對稱的酮，完成了催化循環(huán) 30。 (2) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 13 22 由于上述報道中烯丙基胺等價于甲醛，因此， 也 可通過烯丙基胺合成五元或七元環(huán)對稱酮 31。 (3) 23 活化 氰基是碳原子和氮原子通過三鍵連接而構(gòu)成的，具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性 (133 通常可以在經(jīng)典有機合成中保留。此外，氰基具有和鹵素類似的化學(xué)性質(zhì)，因此也是一個良好的官能團轉(zhuǎn)換基團和離去基團。然而，在 活化發(fā)展之前，氰基的離去主要依靠光化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)。隨著 活化 (斷裂 ) 的發(fā)展，過渡金屬參與完成的研究越來越普遍，因此 活化也集中到過渡金屬參與的層面 上 來 32。 活化機理 過渡金屬參與的 斷裂反應(yīng)可以追溯到 1971 年的 ) 33 氧化加蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 14 成四氰基乙烯。從此，通過氧化加成實現(xiàn) 斷裂的研究擴展到芳基腈，烯丙基腈，烷基腈等底物上來，而且參與反應(yīng)的金屬也拓展到很多過渡金屬，例如 。 通常，先是由低價金屬和氰基中的碳氮三鍵進行配位，繼而發(fā)生金屬對 的氧化加成，隨后再發(fā)生配體交換或轉(zhuǎn)金屬化等反應(yīng)，最后還原消除完成催化循環(huán)。 目前，這種反應(yīng)機理也是 活化研究報導(dǎo) 中最常見 的 機理。 (4) 24 2003 年， 同報導(dǎo)了金屬 與的硅輔助的 斷裂 35。首先，金屬 硅烷反應(yīng)生成 性中間體，再對氰基進行插入得到 2 亞胺環(huán)金屬絡(luò)合物。然后，氰基碳上所連的基團發(fā)生對金屬中心的遷移，誘導(dǎo) 斷裂得異氰基硅化合物。盡管這種遷移斷裂的方式比較特殊，但是先后的兩種中間體都可以被分離得到。其實，這種遷移斷裂的機理非常類似?；饘倩衔锏拿擊蔬^程。 就目前 關(guān)于 活化 的報導(dǎo)而言，該機理 的應(yīng)用 主要存在于 化的 斷裂研究中。 (5) 25 活化發(fā)展 2001 年， 現(xiàn) 4和 活化，從此開辟了 斷裂官能團化的合成研究。隨后， 展了一系列高效合成不 對稱雙芳基化合物，苯乙烯類化合物，烷基苯衍生物等方法，這些方法都是由苯甲腈類似物出 發(fā)，在過渡金屬 化下 實現(xiàn) 的。這些蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 15 研究表明， 作為可以商業(yè)獲得 的催化劑 ，在該反應(yīng)中大大優(yōu)于其他的 化劑。有機鋅試劑和格氏試劑在反應(yīng)中作為親核試劑來進攻中間態(tài)。反應(yīng)中 加入是為了防止有機金屬試劑對氰基的親核加成。此外，反應(yīng)底物的適用性非常好，缺電子和給電子的苯甲腈衍生物，吡啶，呋喃，噻吩等雜環(huán)的氰基衍生物均可參與反應(yīng) 36。 此外，需要指出的是，盡管 氰基 在偶聯(lián)反應(yīng)中有類似鹵素的性質(zhì)，但由于 的解離能遠(yuǎn)大于 (130 80 100 所以之前能夠很好的催化芳基鹵化物的金屬 不適合 基于 活化的 偶聯(lián) 反應(yīng) 。(6) 26 2003 年， 上述 斷裂偶聯(lián) 反應(yīng) 研究的基礎(chǔ)上，完成 了 的構(gòu)筑 ，首次實現(xiàn) 斷裂 構(gòu)筑碳雜原子鍵 37。 (7) 27 2004 年， 展了一種新型的對炔烴的芳腈化反應(yīng)，即為芳基腈對炔烴的加成反應(yīng)，生成 該 反應(yīng) 由 Ni( 和 州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 16 在甲苯中 100 行， 催化劑 也可由穩(wěn)定的 和 生還原而 原位生成。一般來說，對位有吸電子取代的苯甲腈反應(yīng)產(chǎn)率比較高，且具有良好的官能團兼容性，例如氟 、 酮 、 酯 、 酰基等。對另一反應(yīng)物炔烴來說，對稱的炔烴反應(yīng)生成高產(chǎn)的 對稱的炔烴反應(yīng)生成不同區(qū)域選擇性的烯腈混合物。例如， 4,42( 作為底物參與反應(yīng)，主產(chǎn)物是氰基和大取代基 (共同連在一個碳原子上，而芳基和小取代基 (共同連在一個碳原子上的烯腈。這種區(qū)域選擇性是由反應(yīng)過程中生成的 I) 中間體的立體效應(yīng)所決定的 38。 (8) 28 2006 年， 上述 甲腈類型的加成反應(yīng)推廣至烯丙基腈對炔烴的加成 。 作者通過配體調(diào)控，使得反應(yīng)條件更加溫和， 而且突破了上述研究中末端炔烴無法參與反應(yīng)的局限，很好的控制了區(qū)域選擇性。此外，作者蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 17 在烯丙基腈上引入硅醚，使得反應(yīng)中間態(tài)更加穩(wěn)定，反應(yīng)體系更加干凈 39。(9) 29 同年， 研究了 ) 催化下通過 配體 調(diào)節(jié)來實現(xiàn) 活化和 活化的 選擇性控制 40。 例如，作者成功實現(xiàn)了在 10 配體， 35 選擇性 活化的例子。 (0) 30 在 實現(xiàn) 了 和炔烴的加成反應(yīng)后， 嘗試了 芳基腈 和烯烴的加成 反應(yīng) 。 雖然反應(yīng)中烯烴的類型僅限于降冰片烯和降冰片二烯，但可高效 且 原子經(jīng)濟性的一步形成兩個 中心，而且芳基腈的兼容性比較好，甚至一些雜環(huán)的芳基腈也能夠很好的參與反應(yīng)。 盡管 反 應(yīng)中烯烴類型的局限性很大 ，但這卻是一項突破性的工作 41。 (1) 31 2007 年， 現(xiàn) 在芳腈化反應(yīng)中， 加入 合適的路易斯酸 (能夠有效 降低反應(yīng)溫度， 加速氧化加成過程，大大提高產(chǎn)物收率，并且突破了芳基腈 上取代基電性的 范圍 (給電子的芳基腈 也能很好的完成反應(yīng) )。 另外，適當(dāng)蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 18 提高反應(yīng)溫度后， 還 可以 實現(xiàn) 烷基 活化 42。 (2) 32 2008 年， 展了分子內(nèi)對烯烴的 芳腈化反應(yīng)。這種轉(zhuǎn)換的突破， 實現(xiàn)了加成與環(huán)化的統(tǒng)一，并且一步形成了兩個新 的 ，尤其是一個季碳中心。共催化劑路易斯酸 (的加入確保了反應(yīng)的順利進行。通過改變烯基碳鏈的長度，可以得到 苯并 五元環(huán) 和苯并六元環(huán)甚至苯并 七元環(huán)的產(chǎn)物，然而， 苯并 四元環(huán)的環(huán)化產(chǎn)物卻無法實現(xiàn)。 作者 通過 據(jù)證明，反應(yīng)首先是底物在 Ni(, P( 和 同作用下得到 成的 2 。 當(dāng) 存在時，沒有 2 生成，說明 促使氰基和 ) 絡(luò)合的主要因素。 室溫下 6 小時，絡(luò)合物 A 經(jīng)過氧化加成轉(zhuǎn)變?yōu)?B。 中間體 A 和 B 均可由 明。將中間體 B 在 60 熱 46 小時后，即可得到中間體 D。將中間體 D 和反應(yīng)物 作用，即可得加成環(huán)化產(chǎn)物 同時再生成 A 完成循環(huán)過程。其中， 中間體 B 到過渡態(tài) C 的過程是該反應(yīng)的決速步驟。 隨著上述結(jié)果的實現(xiàn) 以及對反應(yīng)機理的研究 ，作者 還 成功實現(xiàn)了 加成 環(huán)化的不對稱反應(yīng) 43。 (3) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 19 33 同年， 發(fā)展了一種分子內(nèi) 對烯烴的不對稱加成環(huán)化體系。 首先， I) 在活化鋅粉的 條件下還原成 )，繼而對被路易斯酸三苯基硼活化了的氰基發(fā)生氧化加成，隨后對烯烴遷移插入形成 ，最后還原消除完成催化循環(huán)。由于烯烴上不同取代基對反應(yīng)速度有明顯的影響，因此說明氧化加成 有可能 不是決速步驟 ，當(dāng)然也不能排除 ) 先和烯烴配位再進行氧化加成的可能性 。 作者 用三苯基硼作為共催化劑， 為手性配體，可以獲得到高達(dá) 97% 季碳中心 44。 (4) 34 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 20 2010 年， 上述 型的 加成反應(yīng)徹底的推向了 型的 加成反應(yīng)。作者成功實現(xiàn)了 ) 和路易斯酸共催化下 乙腈，丙腈， 芐腈及其衍生物的 對炔烴的加成反應(yīng)。反應(yīng)條件溫和，并可通過 調(diào)控 不同 配體 和路易斯酸 實現(xiàn) 其區(qū)域選擇性 45。 (5) 35 同 年， 表了針對長鏈烷基 型的雜原子 導(dǎo)向的對炔烴的加成反應(yīng) 46。 作者認(rèn)為五元氮雜鎳環(huán)中間體 C 是該反應(yīng)的關(guān)鍵中間體。反應(yīng)首先是催化劑 0) 和反應(yīng)物中的 N 原子配位，同時路易斯酸和 位，繼而形成分子內(nèi) 2 類型的中間體 B，再通過快速的氧化加成過程得關(guān)鍵中間體 C。 C 經(jīng)配體交換 (D)，炔烴插入 (E)，最后還原消除得加成產(chǎn)物，同時再形成 A。此外，根據(jù)環(huán)系的大小，還有可能形成六元氮雜鎳環(huán)中間體 F， F 經(jīng) 除后，再對烯烴加成 也可 得關(guān)鍵中間體 C。 (6) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 21 36 由于近年來五氟苯的 活化以及多氟苯的 活化研究的比較熱門， 于 2013 年發(fā)表 了多氟苯的 活化 47。 作者成功實現(xiàn)了 ) 和 催化下多氟苯的選擇性 活化， 而 在反應(yīng)過程中 斷裂 ， 斷裂 均 未 發(fā)生。 需要指出的是，芳環(huán)上的 F 原子明顯增強了 對 ) 的氧化加成過程。 (7) 37 在本章節(jié)內(nèi)容的開始，我們陳述了 活化的兩種機理。上述 活化的例子均為對低價金屬的氧化加成機理。盡管 化下硅輔助的 斷裂的研究 例子 不是很多，但這卻是 活化發(fā)展中不可缺少的重要組成部分。 2006 年， 出的硅輔助的 化下 活化 機理 上 ，首次實現(xiàn) 斷裂構(gòu)筑 48。 在該反應(yīng)過程中，過渡金屬 時完成了 的斷裂和 的斷裂。 (8) 38 2008 年， 加系統(tǒng)和全面的研究了硅輔助的 化下 斷裂硅化的反應(yīng) 49。 該反應(yīng)具有很好的底物適用性，例如芳基腈，烯基腈，烯丙基腈以及芐基腈都能夠很好的參與反應(yīng)，而且底物中官能團的兼容性也比較好。作者在前人研究的基礎(chǔ)上提出了該反應(yīng)的機 理。 和二硅烷通過 分解或氧化加成再還原消除的過程得到 )間體 A。 A 中 向底物中氮原子遷移得 2。 隨后 B 中的芳基向金屬 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 22 心遷移促使 斷裂而形成芳基銠的中間體 C。最后， C 中 和 發(fā)生 分解 生成 芳基硅化產(chǎn)物 從而完成催化循環(huán) 。 此外，除了 ) A， A 也有可能通過 ) A 和二硅烷氧化加成 所得而參與催化循環(huán)。 需要指出的是， 是該反應(yīng)的決速步驟。 (9) 39 當(dāng)反應(yīng)底物是芐基腈時，為了提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物收率，作者提高了反應(yīng)溫度，然而所得產(chǎn)物除芐基硅化的產(chǎn)物外，還有烯胺化合物的生成。這種副產(chǎn)物的生成暗示在該反應(yīng)中， 反應(yīng)機理 可能和芳基腈參與的反應(yīng) 不完全相同 。2 作為形成芐硅烷和烯胺的共同中間體和二硅烷反應(yīng)生成亞胺 D 和催化劑 A。 D 中亞胺碳 上的 過 排反應(yīng)遷移到亞胺 N 上，得 氨基卡賓 E。 最后，卡賓 E 對芐位的 進行插入生成烯胺產(chǎn)物 (a)。另外還有一種途徑， 2 先發(fā)生 除 得 F， 再對亞胺插入形成銠的烯胺中間體 G。 最后， G 再和二硅烷發(fā)生反應(yīng)完成催化循環(huán)。 (0) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 23 40 此外， 發(fā)現(xiàn)分子內(nèi)的 芳基氯在該反應(yīng)條件下 可 被作為親電試劑，可以高效的合成二苯并呋喃，咔唑等衍生物。 (1) 41 2009 年， 上述反應(yīng)中的二硅烷換成氫 硅烷 ，通過 膦酯 配體 的 調(diào)控成功實現(xiàn)了 還原氫化的產(chǎn)物 50。 該反應(yīng)具有較好的普適性，芳基腈和烷蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 24 基腈 (1o, 2o, 3o 均能很好的完成反應(yīng)，并且底物中的官能團都可以 廣泛的兼容 ，更重要的是， 以作為離去基團被完全去除。 (2) 42 2010 年， 上述研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種 型的 活化反應(yīng) 51。 首先，催化劑前體 A 和二硅烷反應(yīng)生成活性 化劑中間體 B。 硅輔助的 斷裂 經(jīng)過 2 得到 間體 D。 D 對烯基硅烷再發(fā)生加成得 E， E 經(jīng) 除可得烯基偶聯(lián)產(chǎn)物和 間體 F。 F 再和二硅烷反應(yīng)生成活性中間體 B 完成催化循環(huán)。 (3) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 25 43 2012 年， 導(dǎo)了 化下通過 斷裂構(gòu)筑 的反應(yīng) 52。 該反應(yīng)是在 ) 和配體 及 三乙烯二胺 共同作用下，對氰基區(qū)域選擇性的引入硼，為進一步官能團化做了很好的鋪墊。 此外，該反應(yīng)也具有很好的適應(yīng)性，各種取代的芳腈類化合物，雜環(huán)芳腈，甚至烷基芳腈都能很好的完成反應(yīng)。 需要指出的是，反應(yīng)中的二硼烷作用機理和之前報導(dǎo)的二硅烷類似。(4) 44 渡金屬催化的碳碳三鍵活化 在一般的化學(xué)鍵中，碳碳三鍵的斷裂 (活化 ) 是非常困難和有挑戰(zhàn)性的，因為碳碳三鍵的解離能 (200 非常大。研究表明，過渡金屬催化的發(fā)展是最有可能實現(xiàn)碳碳三鍵活化的途徑，原因如下：一方面，不飽和炔烴是過渡金屬的良好配體；另一方面，炔鍵和過渡金屬中心所形成的共價鍵有著很好的活性。目前，碳碳三鍵的斷裂研究還主要集中在定量金屬參與的反應(yīng)，而過渡金屬催化的反應(yīng)研究非常有限。根據(jù)反應(yīng)途徑，可以分為以下三種類型： 1) 炔烴復(fù)分解反應(yīng)； 2) 串聯(lián)反應(yīng) (炔烴先和外部的有機試劑反應(yīng)，再裂解 )，例如， 應(yīng)和 應(yīng)； 3) 不需要外部有機試劑引 發(fā)的反應(yīng)。 烴復(fù)分解反應(yīng) 經(jīng)典有機化學(xué)的發(fā)展史驗證了炔烴復(fù)分解反應(yīng) 53 在有機合成和聚合物合成化學(xué)中的重要影響。反應(yīng)底物的普適性和化學(xué)選擇性以及催化劑的兼容性使得該反應(yīng)在合成研究中具有廣泛應(yīng)用。 (5) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 26 45 聯(lián)反應(yīng) 串聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)碳碳三鍵斷裂的策略是通過對炔烴的加氫?；磻?yīng)或二炔的加氫胺化反應(yīng)，將炔烴轉(zhuǎn)變成 ， 不飽和亞胺，再發(fā)生 應(yīng)，得到碳 碳鍵斷裂的產(chǎn)物亞胺和烯胺。因此，該串聯(lián)反應(yīng)需要一個復(fù)雜的催化體系，即一個螯合協(xié)助的加氫?；呋瘎┖鸵粋€ 解催化劑。( 23環(huán)己基胺和苯甲酸共同作用可以催化 解。將乙醛和 63： 1 比例混合，在上述兩種催化體系共同作用下加熱，即可高產(chǎn)的得到正己醛和仲辛酮。反應(yīng)先后經(jīng)過醛炔的加氫?；?， 不飽和亞胺的 1， 4 加成，解 ，最后水解 54。 (6) 46 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 27 2003 年， 導(dǎo)了在金屬 催化下，鄰氨基苯酚促使二炔碳碳三鍵斷裂的反應(yīng)，又一次證明了 排的有效性。在該反應(yīng)中，過渡金屬催化加氫胺化，繼而發(fā)生異構(gòu)化得 不飽和亞胺，隨后發(fā)生 1，4得亞胺再經(jīng)歷分子內(nèi)的羥胺化環(huán)化，排斷裂，水解，得四種最 終產(chǎn)物 55。 (7) 47 需要外部有機試劑引發(fā)的反應(yīng) 眾所周知，炔丙醇在一些過渡金屬催化下發(fā)生脫氫反應(yīng)，可以形成高活性的聯(lián)烯中間體 56。 2003 年， 用這種策略成功的催化切斷炔丙醇的碳碳三鍵 57。反應(yīng)過程中，炔丙醇的碳碳三鍵在催化量的 三氟甲烷磺酸鋰的存在下斷裂生成烯烴和一氧化碳，其中一氧化碳的碳原子來源于炔烴的末端碳。 作者認(rèn)為， 和炔醇形成 而發(fā)生質(zhì)子遷移得 1。 A 在路易斯酸共催化下消除一個羥基得聯(lián)烯中間體 B。隨后，聯(lián)烯中間體 B 上親電的 氫氧根進攻而生成?；?關(guān)鍵中間體 C。 C 再通過脫除一分子一氧化碳而使得反應(yīng)物炔上的碳碳三鍵斷裂 得到中間體 D。 最后， D 經(jīng)過還原消除完成催化循環(huán)。 此外，這種方法還可以運用到炔丙基醚類化合物的碳碳三鍵斷裂上 58。盡管如此，該方法還是有著比較大的 局限性 ，只能適用于 末端炔烴。 (8) 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 28 48 對于非末端炔烴， 2006 年 Y. 展了一種金催化串聯(lián)環(huán)化氧化斷裂碳碳三鍵的方法 59。炔醇在金催化下發(fā)生 5化，得到五元環(huán)外雙鍵，既將炔鍵轉(zhuǎn)化成烯鍵。這種富電子的雙鍵在過渡金屬金 和氧氣共同作用 下極易被氧化斷裂，形成羧酸和 環(huán)化 內(nèi)酯。 需要指出的是，一般烯烴在上述條件下不能被氧化，例如正癸烯，苯乙烯等，只有富電子烯烴可被氧化，例如烯醇醚等。 (9) 49 結(jié) 從上面兩節(jié)的文獻(xiàn)綜述中可以看到， 活化 (斷裂 ) 的發(fā)展主要分為具有張力分子的 活化和無環(huán)張力分子的 活化。盡管 之間比較惰性，其斷裂官能團化非常有挑戰(zhàn)，但是關(guān)于 活化斷裂的研究一直在不斷進行中，大大推進了有機化學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新。為了實現(xiàn)催化的 活化，蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 29 許多對底物分子的要求需要被滿足。 從熱力學(xué)平衡的觀點出發(fā)，所生成的產(chǎn)物應(yīng)該比反應(yīng)起始物要在能量上穩(wěn)定，反應(yīng)的活性中間體要有適度的穩(wěn)定性，例如生成穩(wěn)定的五元環(huán)金屬絡(luò)合物 ，穩(wěn)定的 的 等。然而，如果這些中間體太穩(wěn)定，則在反應(yīng)過程中難以釋放出催化劑而阻斷了催化循環(huán)。因此，反應(yīng)新生成的產(chǎn)物最好 有非常強的 ，例如羰基，芳環(huán)等。 如果反應(yīng)物和產(chǎn)物具有相似的穩(wěn)定性，這種情況在熱力學(xué)平衡下是不能夠進行的 。為此，需 使一種反應(yīng)物大大過量或反應(yīng)過程不可逆消除或使所得產(chǎn)物易發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而推動反應(yīng)的發(fā)生。 盡管 活化 (斷裂 ) 的研究 已經(jīng)取得了可喜的進展 ，但是仍有許多局限性和挑戰(zhàn)性，因此 活化還需要 更加 系統(tǒng)和全面的探索，最終必將影響和推動有機化學(xué)的發(fā)展。 蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 鎳催化的碳 30 參考文獻(xiàn) 1 (a) R. 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