過渡金屬催化烯烴和炔烴的氫酯化反應(yīng)分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u32039過渡金屬催化烯烴和炔烴的氫酯化反應(yīng)分析概述 1280021.1過渡金屬催化烯烴的氫酯化反應(yīng) 113431.2過渡金屬催化炔烴的氫酯化反應(yīng) 61.1過渡金屬催化烯烴的氫酯化反應(yīng)烯烴的氫酯化反應(yīng)是指以一氧化碳或含羰基的化合物為羰基源，過渡金屬催化烯烴化合物與親核試劑醇反應(yīng)生成相應(yīng)的酯類化合物的反應(yīng)29（圖1.20）。圖1.20過渡金屬催化的烯烴氫酯化反應(yīng)1.1.1CO作為羰基來源的烯烴氫酯化反應(yīng)早期烯烴的氫酯化反應(yīng)通常需要使用CO氣體作為羰基源。1963年Tsuji30等人使用PdCl2/HCl體系，在80oC和高壓（100barCO）條件下合成羧酸酯。1976年，Stille和James31使用PdCl2/CuCl2雙金屬體系催化簡單烯烴與甲醇在室溫和低壓(3barCO)條件下進(jìn)行氫酯化反應(yīng)，在該體系下，氯化銅起到氧化零價(jià)鈀，防止鈀黑沉積的作用。1984年，Alper和同事32使用類似的催化體系，添加少量的三苯基膦，在酸性條件下實(shí)現(xiàn)了芳香族烯烴與乙二醇的氫酯化反應(yīng)得到支鏈的酯。1985年，Toniolo和Cavinato33等人發(fā)現(xiàn)，在[PdCl2(PPh3)2]催化體系中，加入SnCl2后能夠改變反應(yīng)的選擇性，從而得到專一的直鏈產(chǎn)物。為了進(jìn)一步提升反應(yīng)的選擇性，科學(xué)家們開始嘗試將大位阻的配體引入到反應(yīng)當(dāng)中，2000年，Ramminger34等通過使用[PdCl2(PhCN)2]/(+)-NMDPP/TsOH體系，以高支鏈選擇性制備酮洛芬的丙酸酯（圖1.21）。圖1.21Ramminger發(fā)展氫酯化反應(yīng)制備酮洛芬2005年，Tanaka35小組發(fā)展了Pd(OAc)2/MsOH體系催化苯乙烯的氫酯化，反應(yīng)以dtbpx作為配體，能以最高500的轉(zhuǎn)化數(shù)得到支鏈的苯丙酸甲酯（圖1.22）。圖1.22Tanaka發(fā)展的苯乙烯氫酯化反應(yīng)2017年，Beller36等人在該領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，作者在經(jīng)典配體dtbpx上引入吡啶基團(tuán)發(fā)展了新型配體L。在Pd/L/PTSA催化體系下，反應(yīng)可以在溫和條件下（80oC）催化簡單烯烴完全轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的羧酸酯，整個(gè)過程僅需10分鐘。此外，該反應(yīng)體系可以使乙烯的氫酯化反應(yīng)具有前所未有的活性和化學(xué)選擇性(TON:>1425000;TOF:44000h-1;選擇性:>99%），這也是目前乙烯氫酯化反應(yīng)最高轉(zhuǎn)化數(shù)的例子（圖1.23）。圖1.23Beller發(fā)展的乙烯氫酯化反應(yīng)1.1.2甲酸酯作為羰基來源的烯烴氫酯化反應(yīng)隨著綠色化學(xué)的發(fā)展，人們對于無毒、可再生的化學(xué)化工原料的需求越來越迫切。甲酸酯作為一種頗具吸引力的CO替代試劑，因其在存儲(chǔ)和操作等方面的便利，得到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。1983年，Sneeden和Cognion37小組報(bào)道了Ru催化的甲酸酯與乙烯的氫酯化反應(yīng)，該報(bào)道中將甲酸甲酯與其他甲酸酯進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在過渡金屬Ru的作用下，甲酸甲酯更容易在原位生成CO（圖1.24）。此外，作者還提出乙烯與甲酸酯反應(yīng)的兩種可能機(jī)理：1）甲酸酯被分解為一氧化碳和醇，隨后發(fā)生過渡金屬催化的烷氧羰基化反應(yīng)。2）金屬中心與甲?；腃-H鍵氧化加成，隨后烯烴插入（圖1.25）。圖1.24Sneeden等人發(fā)展的Ru催化乙烯的氫酯化反應(yīng)圖1.25Sneeden提出的乙烯與甲酸酯氫酯化反應(yīng)的兩種可能機(jī)理2002年，Chang38小組首次使用含有吡啶基團(tuán)的甲酸酯作為CO替代源，實(shí)現(xiàn)了烯烴氫酯化反應(yīng)。該反應(yīng)以Ru3(CO)12為催化劑，對于長鏈端烯1-己烯能夠以98%的收率，l/b＝74:26的區(qū)域選擇性生成酯（圖1.26）。該反應(yīng)體系可用于各種烷基端位烯烴、芳基烯烴、環(huán)烯、烯醚以及α，β-不飽和烯烴的氫酯化反應(yīng)，具有較廣的底物適用范圍，且反應(yīng)活性和區(qū)域選擇性都較高。作者認(rèn)為，甲酸酯中引入的吡啶基團(tuán)，可以與Ru3(CO)12形成螯合的六元環(huán)狀中間體，通過抑制脫羰副反應(yīng)的方式使反應(yīng)向氫酯化的方向進(jìn)行。圖1.26Chang報(bào)道的烯烴與甲酸芐酯的氫酯化反應(yīng)2013年，Beller39小組報(bào)道了Pd催化的烯烴和甲酸酯的氫酯化反應(yīng)。在Pd(acac)2/dtbpx/MeSO3H體系下，反應(yīng)能夠在100oC的溫和條件下進(jìn)行。該體系對各類烷基，芳基甲酸酯都能適用，而且底物范圍較為廣泛。此外，不飽和酯可以區(qū)域選擇性的轉(zhuǎn)化為端位酯化產(chǎn)物（圖1.27）。圖1.27Beller報(bào)道的Pd催化烯烴與甲酸酯的氫酯化反應(yīng)1.1.3其他CO替代源參與的烯烴氫酯化反應(yīng)1986年，Keim40課題組報(bào)道了Ru(CO)3(PCy3)2催化的，甲醇作為CO和H2源的丙烯氫酯化反應(yīng)（圖1.28）。由于甲醇脫氫需要的能量較高(△H=+84KJmol-1)，該氫酯化反應(yīng)的溫度高達(dá)240oC。另一方面，該反應(yīng)也需要在較高的壓力下才能進(jìn)行。產(chǎn)物丁酸甲酯的產(chǎn)率為66%。雖然該反應(yīng)由于其苛刻的反應(yīng)條件并未得到廣泛的應(yīng)用，但為后續(xù)的研究提供了新的思路。圖1.28Keim報(bào)道的Ru催化丙烯與甲醇的氫酯化反應(yīng)2013年，Beller41課題組報(bào)道了Ru3(CO)12催化下的烯烴、CO2與醇的氫酯化反應(yīng)（圖1.29）。值得一提的是，反應(yīng)無需使用額外的強(qiáng)還原劑。他們提出了三種可能的反應(yīng)路徑。通過一系列的控制實(shí)驗(yàn)，PathwayI被認(rèn)為是主要的反應(yīng)路徑，在該體系中CO2先被還原至CO，再進(jìn)行后續(xù)的羰基化反應(yīng)。圖1.29Beller報(bào)道的Ru催化下的烯烴、CO2與醇的氫酯化反應(yīng)2014年，Beller42課題組首次報(bào)道了多聚甲醛/醇存在條件下，Ru催化的烯烴氫酯化反應(yīng)（圖1.30）。相比于CO2氣體，多聚甲醛作為CO替代物大大減少操作的繁瑣程度。13C標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)物中的酯基來源于醇，反應(yīng)的羰基源是多聚甲醛。圖1.30Beller報(bào)道的Ru催化多聚甲醇為羰基源的烯烴氫酯化反應(yīng)1.2過渡金屬催化炔烴的氫酯化反應(yīng)1.2.1CO作為羰基源的炔烴氫酯化反應(yīng)炔烴經(jīng)氫酯化反應(yīng)能夠生成α,β-不飽和羧酸酯。一般情況下，炔烴氫酯化反應(yīng)的活性比烯烴高。CO作為羰基源的炔烴氫酯化反應(yīng)最早在1966年由Tsuji43課題組首次報(bào)道。在CO氛圍下，以含有HCl的甲醇或甲苯作為溶劑，Pd/C或PdCl2能催化丙炔醇和丙炔氯化物發(fā)生氫酯化反應(yīng)得到衣康酸甲酯，但反應(yīng)收率一般（63%）并伴有其他副產(chǎn)物。1993年，Drent44課題組在鈀催化炔烴的氫酯化體系中，使用了二苯基-2-吡啶膦(dppy)作為配體，使得丙炔底物的氫酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）達(dá)到了40000，支鏈產(chǎn)物甲基丙烯酸甲酯(MAA)的選擇性大于99%。該催化體系已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。這一結(jié)果使得在往后的十幾年間，具有類似結(jié)構(gòu)的配體不斷地被人們所研究（圖1.31）。圖1.31以CO為羰基來源的炔烴氫酯化反應(yīng)1.2.2以甲酸酯為羰基來源的炔烴氫酯化反應(yīng)以甲酸酯為羰基源的炔烴氫酯化反應(yīng)的研究較少。2003年，Chang45等利用吡啶取代的甲酸酯首次實(shí)現(xiàn)了甲酸酯作為羰基源的炔烴的氫酯化反應(yīng)（圖1.32）。圖1.32chang報(bào)道的使用含有吡啶取代基的甲酸酯為羰基來源的炔烴的氫酯化反應(yīng)隨后在2011年，Tsuji46等使用Pd(OAc)2為催化劑前體，Xantphos為配