【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）鎳催化的碳-碳鍵活化及脫羧環(huán)化反應(yīng)研究-博士論文

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(shí)現(xiàn) 活化 (斷裂 ) 一直以來都深深的吸引著全球的有機(jī)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(duì)傳統(tǒng)的有機(jī)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(gè)非常具有挑戰(zhàn)的課題。從時(shí)間上劃分， 活化 (斷裂 ) 先后經(jīng)歷兩個(gè)時(shí)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(jī)化學(xué)工作者將興趣鎖定在實(shí)現(xiàn)催化量的 活化 (斷裂 ) 以及發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)新的反應(yīng)。因此，在我們?cè)敿?xì)討論催化反應(yīng)之前，先簡(jiǎn)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(diǎn)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(gè)相比 形成熱力學(xué)不利的過程 2。 () 1 因此，要促進(jìn) 活化可以從如下的兩個(gè)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(bǔ)償該反應(yīng)熱力學(xué)上的不足，從而形成相對(duì)更穩(wěn)定的擴(kuò)環(huán)金屬化合物 3。從這個(gè)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(duì)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(duì)沒有大張力的反應(yīng)物來實(shí)施的，目的是希望得到穩(wěn)定的金屬絡(luò)合物來驅(qū)動(dòng)反應(yīng)發(fā)生。例如， 用前人報(bào)道的芳構(gòu)化策略 5，通過 u+ 參與反應(yīng)，實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn) 活化 (斷裂 ) 的有效方法?，F(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(bào)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(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)金屬在反應(yīng)中的催化量循環(huán)，一個(gè)從有機(jī)金屬中間體到有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)變的能量釋放過程是非常必須的?？傊?，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(duì)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(duì) 的插入，釋放三元環(huán)或四元環(huán)的張力能，得到相對(duì)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(kuò)環(huán)的產(chǎn)物。 同報(bào)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(duì)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(tuán)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(kuò)環(huán)要穩(wěn)定的多。 () 7 除了上述分子間發(fā)生的 擴(kuò)環(huán)反應(yīng)，通過巧妙的設(shè)計(jì)，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(gè)反應(yīng)均生成五元環(huán)金屬中間體，其中一個(gè)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(gè)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(jī)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(shí)，通常會(huì)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(jì)和實(shí)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(jí)環(huán)丁醇的對(duì)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(duì)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(duì)映選擇性 14。 () 9 同理，當(dāng)所連金屬是 N 時(shí)， 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(duì)?；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(gè)巧妙的設(shè)計(jì)，可以一步構(gòu)筑在經(jīng)典有機(jī)合成中需要多步完成的分子。首先， ) 對(duì)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?cè)敿?xì)討論了 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)研究。然而，對(duì)于無環(huán)張力的分子， 活化的非常有效的手段，特別是對(duì)于三級(jí)醇骨架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 斷裂。 1998 年， 展了 化的對(duì)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(duì)三級(jí)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(dòng)了反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)，無高烯丙基的三級(jí)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(bào)導(dǎo)了通過 穩(wěn)定金屬中間體從而實(shí)現(xiàn) 斷裂的反應(yīng)。反應(yīng)中， ) 對(duì) 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(jià)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(jí)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(jìn)行，同時(shí)也提供了引入炔丙基的有效方法 20。 (5) 15 能團(tuán)導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn) 活化 官能團(tuán)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(dòng)力，實(shí)現(xiàn) 的官能團(tuán)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(gè)非常具有代表性的例子是由 展的 8活化反應(yīng)。首先， ) 對(duì)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(shí)，生成 811。 (6) 16 1999 年， 現(xiàn)惡唑啉作為導(dǎo)向基團(tuán)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(dòng)反應(yīng)向右進(jìn)行 22。 (7) 17 在官能團(tuán)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(jī)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(tuán)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(jìn)一步 應(yīng)用 到臨時(shí)螯合輔助的，非官能團(tuán)導(dǎo)向分子的 活化中去。 時(shí)螯合輔助的非官能團(tuán)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(tuán)的 活化 (斷裂 ) 反應(yīng)。這類分子的 活化研究可以采用臨時(shí)引入一個(gè)合適的螯合輔基，完成反應(yīng)后可通過簡(jiǎn)單操作離去，例如水解 等 25。 1999 年， 導(dǎo)了利用 236，實(shí)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(shí)螯合輔基 23其次，金屬催化劑 ) 對(duì)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(duì)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(duì)所得亞胺進(jìn)行水解，釋放出烷基交換的酮和 臨時(shí)螯合輔基，完成催化循環(huán)。由于反應(yīng)是一個(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)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(duì)原位生成的烯烴進(jìn)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(duì)烯烴馬氏規(guī)則插入是一個(gè)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(jìn)了反應(yīng)的發(fā)生 29。 (1) 21 1999 年， 導(dǎo)了烯丙基胺等價(jià)于甲醛的官能團(tuán)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(duì)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(tuán)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(duì)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(jìn)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(duì)稱的亞胺。最后，亞胺經(jīng)過水解，生成對(duì)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(bào)道中烯丙基胺等價(jià)于甲醛，因此， 也 可通過烯丙基胺合成五元或七元環(huán)對(duì)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?？梢栽诮?jīng)典有機(jī)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(gè)良好的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換基團(tuán)和離去基團(tuán)。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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn) 斷裂的研究擴(kuò)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(jià)金屬和氰基中的碳氮三鍵進(jìn)行配位，繼而發(fā)生金屬對(duì) 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(jī)理也是 活化研究報(bào)導(dǎo) 中最常見 的 機(jī)理。 (4) 24 2003 年， 同報(bào)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(duì)氰基進(jìn)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(tuán)發(fā)生對(duì)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(shí)，這種遷移斷裂的機(jī)理非常類似?；饘倩衔锏拿擊蔬^程。 就目前 關(guān)于 活化 的報(bào)導(dǎo)而言，該機(jī)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(tuán)化的合成研究。隨后， 展了一系列高效合成不 對(duì)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(shí)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(jī)鋅試劑和格氏試劑在反應(yīng)中作為親核試劑來進(jìn)攻中間態(tài)。反應(yīng)中 加入是為了防止有機(jī)金屬試劑對(duì)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(shí)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(duì)炔烴的芳腈化反應(yīng)，即為芳基腈對(duì)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(duì)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(tuán)兼容性，例如氟 、 酮 、 酯 、 ?；取?duì)另一反應(yīng)物炔烴來說，對(duì)稱的炔烴反應(yīng)生成高產(chǎn)的 對(duì)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(gè)碳原子上，而芳基和小取代基 (共同連在一個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn) 活化和 活化的 選擇性控制 40。 例如，作者成功實(shí)現(xiàn)了在 10 配體， 35 選擇性 活化的例子。 (0) 30 在 實(shí)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(jì)性的一步形成兩個(gè) 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(xiàng)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(shí)現(xiàn) 烷基 活化 42。 (2) 32 2008 年， 展了分子內(nèi)對(duì)烯烴的 芳腈化反應(yīng)。這種轉(zhuǎn)換的突破， 實(shí)現(xiàn)了加成與環(huán)化的統(tǒng)一，并且一步形成了兩個(gè)新 的 ，尤其是一個(gè)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(jìn)行。通過改變烯基碳鏈的長(zhǎng)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn) 以及對(duì)反應(yīng)機(jī)理的研究 ，作者 還 成功實(shí)現(xiàn)了 加成 環(huán)化的不對(duì)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(duì)烯烴的不對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jìn)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn) 其區(qū)域選擇性 45。 (5) 35 同 年， 表了針對(duì)長(zhǎng)鏈烷基 型的雜原子 導(dǎo)向的對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(qiáng)了 對(duì) ) 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(jī)理。上述 活化的例子均為對(duì)低價(jià)金屬的氧化加成機(jī)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(jī)理 上 ，首次實(shí)現(xiàn) 斷裂構(gòu)筑 48。 在該反應(yīng)過程中，過渡金屬 時(shí)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(tuán)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(jī) 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(shí)，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(jī)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(duì)芐位的 進(jìn)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(duì)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(shí)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(tuán)都可以 廣泛的兼容 ，更重要的是， 以作為離去基團(tuán)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(duì)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(duì)氰基區(qū)域選擇性的引入硼，為進(jìn)一步官能團(tuán)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(jī)理和之前報(bào)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?yàn)樘继既I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(shí)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(jià)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(jī)試劑反應(yīng)，再裂解 )，例如， 應(yīng)和 應(yīng)； 3) 不需要外部有機(jī)試劑引 發(fā)的反應(yīng)。 烴復(fù)分解反應(yīng) 經(jīng)典有機(jī)化學(xué)的發(fā)展史驗(yàn)證了炔烴復(fù)分解反應(yīng) 53 在有機(jī)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(shí)現(xiàn)碳碳三鍵斷裂的策略是通過對(duì)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(gè)復(fù)雜的催化體系，即一個(gè)螯合協(xié)助的加氫?；呋瘎┖鸵粋€(gè) 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(jī)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(gè)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(jìn)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(yùn)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(duì)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(tuán)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(jìn)行中，大大推進(jìn)了有機(jī)化學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新。為了實(shí)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(duì)底物分子的要求需要被滿足。 從熱力學(xué)平衡的觀點(diǎn)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(qiáng)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(jìn)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(dòng)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(jìn)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(dòng)有機(jī)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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