過渡金屬催化的氰化反應研究進展

過渡金屬催化的氰化反應研究進展

有機氰化物是合成過程中非常重要的顆粒。它可以很容易轉化為其他有用的官能團化合物，如醇、酮、脂肪酸、胺和丙烯酸。引入碳-碳鍵是合成有機化合物的最基本方法之一。眾所周知，脂肪族磺酸和氰基離子的親水反應是制備脂肪族氰化物的經典方法。氰基離子對羥基化合物和亞胺的親水反應是合成基氰化物的重要方法。此外，桑德姆反應和羅伯特馮萊恩反應是合成芳香族氰化物的傳統(tǒng)方法。然而，這兩種方法都需要相同物質含量的氰化銀和嚴格的反應條件。1973年，takagi等人首次報告了磺化銀和硝酸鈉反應的反應條件。該開創(chuàng)性工作為國內外相關機構的研究提供了重大進展金屬氧化反應的指南。近年來，過渡金屬氧化反應鈉和化合物羥基化合物的氧化氰化反應也取得了很大進展。本文主要介紹了近年來轉移金屬氧化反應c-cnh約束的進展情況，并討論了相應反應的機制。1其他添加劑的催化作用芳香族氰化物廣泛用于天然產物、醫(yī)藥、農藥及染料等諸多領域.它們也是有機合成中非常重要的中間體.合成芳香族氰化物的方法有很多,其中最直接、最簡單的方法是通過過渡金屬催化芳香鹵化物及擬鹵化物的氰化反應.1973年,Takagi等首次報道了鈀催化芳基碘化物及溴化物與氰化鉀的氰化反應.隨后,他們在對反應機理的研究過程中發(fā)現(xiàn)過量的氰基負離子會與二價的鈀形成穩(wěn)定的金屬絡合物,從而導致催化劑失活.受到他們工作的啟發(fā),化學家們嘗試采用各種不同的手段來阻止催化劑失活以提高反應效率,如添加劑的使用,新氰化試劑的發(fā)展以及催化劑體系的探索等.1998年,Anderson等發(fā)現(xiàn)在鈀催化芳基鹵化物氰化反應的體系中,加入催化量的銅鹽或鋅鹽能極大地提高反應的效率,相應的氰化產物收率為71%~92%(Eq1).他們利用兩個循環(huán)機理來闡明添加劑在該反應中所起的作用(Scheme1).其中一個典型的循環(huán)是零價鈀與芳基鹵化物氧化加成,再轉金屬,最后還原消除;另一個循環(huán)中添加劑與氰化鈉反應形成共價鍵的氰化物種再與芳基鈀物種發(fā)生轉金屬.因此,這種過渡金屬添加劑在該反應中作為載體,起著傳輸氰基負離子的作用除了銅鹽及鋅鹽外,三甲基硅氰、三苯基硼及三丁基氯化錫作為添加劑也能成功地應用于該偶聯(lián)反應.2001年,Beller等報道了醋酸鈀與膦配體及二胺配體相結合的催化劑體系催化氯代芳烴與氰化鉀的偶聯(lián)反應(Eq.2).他們發(fā)現(xiàn)加入催化量的TMEDA是該反應成功的關鍵,TMEDA作為共配體或添加劑能夠穩(wěn)定鈀催化劑.最近,Grushin等詳細地分析了鹵代芳烴氰化過程中鈀催化劑失活等關鍵性問題后,發(fā)展了一種高效且通用的鈀催化溴代芳烴與氰化鈉的氰化反應(Eq.3).該反應僅用0.5~1mol%鈀催化劑及過量6%的氰化鈉就能實現(xiàn)溴代芳烴當量的轉化及88%~99%分離收率.在該催化劑體系中加入廉價易得、催化量的鋅粉或氫化鈣能夠極大地提高反應收率.該添加劑在反應過程中起著還原劑的作用,穩(wěn)定鈀催化劑的活性金屬中心.氰化鋅作為氰化試劑應用于芳基鹵化物的氰化反應是始于20世紀90年代.與堿土金屬的氰化試劑(NaCN或KCN)相比,氰化鋅的毒性相對較低,而且它的兩個氰基都能夠被利用.另外,它在反應體系中能保持低濃度的游離氰負離子,不易使催化劑失活,從而能夠提高催化劑的效率.因此,到目前為止,以氰化鋅為氰化試劑進行氰化反應的報道最多,且都是利用鈀催化劑體系來實現(xiàn)的這種化學轉化.2005年,Seki等報道了異相催化劑Pd/C催化芳基溴化物的氰化反應(Eq4).他們比較了不同添加劑對該反應的影響.當反應體系中加入Zn和Br2作為添加劑時,獲得了非常不錯的結果.然而,僅以Zn作為添加劑時,只有缺電子芳基溴化物的反應才能順利地進行.原因在于體系中Zn和Br2原位生成的ZnBr2可以與Zn(CN)2作用形成活性較高及溶解性較好的ZnCNBr,從而有利于反應的進行.2010年,Shevlin報道了以鋅粉及硫酸作為添加劑,利用鈀催化實現(xiàn)了一系列氯代芳烴的氰化反應(Eq5).他們發(fā)現(xiàn)在反應體系中加入與鈀催化劑等量的硫酸能極大地提高鈀催化劑的活性.值得注意的是,烯基氯化物在該反應條件下也能獲得較好的結果.2004年,Beller等首次報道了以亞鐵氰化鉀作為氰化試劑用于溴苯的氰化反應(Eq.6).該氰化試劑具有無毒、廉價易得、容易操作等優(yōu)點,且在反應過程中緩慢地釋放出氰基,不致于使催化劑中毒而失去活性,其6個氰基都可參與反應.該反應為氰化反應開創(chuàng)了一個新的研究方向,迅速得到了眾多研究者的青睞.化學家們利用亞鐵氰化鉀作為氰化試劑,在發(fā)展新的催化劑體系、探索新的反應介質以及拓展底物等方面進行了廣泛地研究.2010年,Kwong等研究了鈀催化芳基擬鹵化物與亞鐵氰化鉀的氰化反應(Eq.7).水作為溶劑或共溶劑是該反應成功的關鍵,主要原因在于它可以提高亞鐵氰化鉀在反應體系中的溶解性.一系列的芳基甲磺酸酯及對甲基苯磺酸酯都能夠順利地轉化為相應的氰化物,并獲得了較高的收率.在氰化反應體系中,控制氰基負離子的濃度是非常關鍵的.緩慢地滴加可溶性的氰化試劑是解決這個問題的最好方法之一.三甲基硅氰和2-氰丙醇是常用的可溶性的氰化試劑.2011年,Beller等報道了銅催化的芳基溴化物與2-氰丙醇的偶聯(lián)反應(Eq.8).通過流動注射泵技術控制氰化試劑的滴加速度可以嚴格控制體系中氰基負離子的濃度,從而提高催化的效率.2011年,Bhanage等發(fā)展了一種全新的、無毒的氰化試劑,實現(xiàn)了芳基碘化物及溴化物的氰化反應(Eq.9).在該反應體系中甲酰胺既是溶劑,又為氰化試劑.他們提出了可能的反應機理:首先是零價鈀與芳烴鹵化物的氧化加成形成芳基鈀的物種I,接下來對亞胺鹽II的親核加成得到中間體III,中間體III發(fā)生β-H消除產生中間體IV,再發(fā)生后續(xù)的胺羰化及脫氫反應即可得到芳基氰化物(Scheme2).亞胺鹽(即Vilsmeier試劑)的形成是這個反應成功的關鍵.盡管鈀催化芳基鹵化的氰化反應取得了重大的進展,尋找環(huán)境友好的、廉價易得的催化劑體系是化學家們長期追求的目標.銅及鎳催化劑催化芳基鹵化物的氰化反應也有很多報道.2003年,Buchwald等報道了銅催化芳基溴化物的氰化反應(Eq.10).在該反應體系中加入催化量的碘化鉀能夠極大地提高該反應的效率.他們推測該反應首先發(fā)生鹵交換反應得到芳基碘化物,繼而再發(fā)生氰化反應.2003年,Leadbeater等報道了微波輔助下鎳促進的芳基溴化物與氰化鈉的偶聯(lián)反應,相應的氰化產物的收率較高(Eq.11).該反應快速、簡單,且不需要任何配體和堿,甚至可以在空氣條件下進行,也不存在催化劑中毒等問題.2以金屬氰化反應為原料的氰化反應α,β-不飽和氰化物也是有機合成中重要的中間體過渡金屬催化烯基鹵化物的立體選擇性氰化是合成α,β-不飽和氰化物非常有用的方法.早在20世紀60年代末Fischer等就報道了在高溫條件下當量的金屬氰化物NaCu(CN)2,CuCN,K4Ni(CN)6促進苯乙烯基溴的氰化反應.1977年,Murahashi等首次報道了鈀催化烯基鹵化物與氰化鉀-冠醚的氰化反應.最近,Liang等報道了在微波輔助下及離子液體中鈀催化烯基鹵化物與亞鐵氰化鉀的偶聯(lián)反應,得到了高立體選擇性的氰化產物(Eq.12).該反應簡單,快速,且產物很容易分離,離子液體也可以重復使用.3高立體選擇性的氰化反應過渡金屬催化烯丙基醋酸酯及碳酸酯與不同親核試劑的反應是有機合成中重要的轉化.1993年,Tsuji等報道了鈀催化烯丙基醋酸酯及碳酸酯與三甲基硅氰的偶聯(lián)反應,得到了高收率、高立體選擇性的氰化產物(Scheme3).為了確定氰化反應過程中的立體化學,他們選用一些cis或trans的烯丙基碳酸酯為底物,結果發(fā)現(xiàn)cis結構的烯丙基碳酸酯反應后轉化為trans結構的氰化產物;trans結構的烯丙基碳酸酯反應后轉化為cis結構的氰化產物.這種立體化學說明氰基是從鈀的一側來進攻η3-烯丙基鈀中間體.2000年,Tsuji等報道了鈀催化炔丙基碳酸酯與三甲基硅氰的偶聯(lián)反應,得到了聯(lián)烯氰的化合物.但當體系中三甲基硅氰大大過量時,聯(lián)烯氰化合物的雙鍵可以再發(fā)生氰硅化反應(Scheme4).4芳基及烯基硼的氧化氰化反應過渡金屬催化芳基硼酸的官能團化是現(xiàn)代有機合成中構建碳—碳鍵、碳—雜鍵最強有力的工具.2006年Liebeskind等首次報道了在噻吩-2-甲酸亞銅(CuTC)的輔助下鈀催化芳基硼酸與硫氰酸酯的偶聯(lián)反應,得到較高收率的氰化產物(Eq.13).這種方法被認為是過渡金屬催化芳基鹵化物氰化的重要補充.他們提出了可能的反應機理:首先是零價鈀與硫氰酸酯的氧化加成得到氰基鈀的物種I,接下來與CuTC的配位作用形成II,再與芳基硼酸作用形成中間體III,轉金屬產生中間體IV,最后還原消除得到芳基氰化物,同時產生零價鈀完成催化循環(huán)(Scheme5).噻吩-2-甲酸亞銅(CuTC)在反應過程中起著雙活化的作用,一方面銅離子與氰基鈀的物種I中的硫之間相互作用可以極化Pd—S鍵,另一方面羧基的氧原子與硼原子之間的配位作用可以促進芳基硼酸的轉金屬.2010年,Hartwig等首次報道了銅促進的芳基硼酸及硼酸酯與氰化鋅的氧化氰化反應(Eq.14).他們還利用銥和銅先后催化,“一鍋法”實現(xiàn)了芳烴C—H的間位氰化反應.2011年,Cheng等發(fā)展了一種簡單、高效的銅促進芳基及烯基硼酸的氧化氰化反應(Scheme6).該反應的條件溫和,官能團的耐受性好,底物的適用范圍廣.2011年,Beller等報道了銠催化芳基及烯基硼酸與親電性的氰化試劑的偶聯(lián)反應(Eq.15).盡管該反應的條件比較溫和,底物的適用范圍廣,產率也較高,但反應需要較昂貴的銠催化劑以及復雜的氰化試劑.他們提出了可能的反應機理:首先芳基硼酸與活性的銠催化劑之間轉金屬得到芳基銠的物種I,接下來與氰化試劑配位形成中間體II,然后分子內芳基對碳-氮叁鍵的遷移插入形成中間體III,最后重排生成芳基氰化物,同時釋放出中間體IV,再與芳基硼酸作用又得到芳基銠的物種I,從而完成催化循環(huán)(Scheme7).5以為中心的雙氰化反應近年來,過渡金屬催化σ-鍵對碳-碳不飽和鍵的加成反應進行了廣泛地研究.1988年,Chatani等首次報道了鈀催化三甲基硅氰對端炔的加成反應,得到了高區(qū)域與立體選擇性的加成產物(Eq.16).該體系中底物的結構及不同的催化劑對加成產物的區(qū)域與立體選擇性有重要的影響.當使用氯化鎳作為催化劑及無溶劑條件下反應,奇怪地得到了吡咯的衍生物.2009年,Arai等報道了在氧氣條件下,氯化鈀催化三甲基硅氰對端炔的加成反應,卻得到了雙氰化的產物(Eq.17).炔烴的結構對產物順反異構體的比例有很大影響.該反應可能的機理經由兩條途徑(Scheme8)一方面通過順式氰鈀化得到順式雙氰化的產物(PathA)另一方面通過反式氰鈀化得到反式雙氰化的產物(PathB).另外,1,6-二炔或1,6-烯炔化合物在氰化鈀的催化下可以得到雙氰化環(huán)化的產物.2003年,Suginome等報道了鈀催化分子內碳-碳叁鍵的氰硼化反應(Scheme9).這種高區(qū)域與立體選擇性的加成反應一步構建了碳—硼鍵及碳—碳鍵.此后他們又發(fā)展了一系列的B—CN試劑,實現(xiàn)了不對稱炔烴碳-碳叁鍵的高區(qū)域選擇性的氰硼化反應.這些氰硼化的產物是有機合成中非常重要的中間體.2004年,Hiyama等報道了鎳催化芳基氰化物C—CN鍵的斷裂及對炔烴不飽和鍵的加成反應,得到了高收率的α,β-不飽和氰化物,并沒有其它副產物產生(Eq.18).這是一種非常綠色的、原子經濟性的反應.2005年,Nishihara等首次報道了鈀催化氰甲酸乙酯碳—碳σ-鍵的活化及對烯烴不飽和鍵的加成反應,得到了高立體選擇性的氰酯化產物(Eq.19).然而,該反應只適用于有張力的降冰片烯衍生物的不飽和鍵的氰酯化.受到他們工作的啟發(fā),Hiyama等報道了鎳催化聯(lián)烯與氰甲酸乙酯的氰酯化反應,得到了高區(qū)域選擇性的α-氰基丙烯酸乙酯的衍生物(Eq.20).在探索該反應的過程中,他們還發(fā)現(xiàn)在路易斯酸的輔助下,利用鎳催化實現(xiàn)了內炔的氰酯化、氰甲氨酰化及氰烯丙基化反應(Scheme10).對于不對稱的內炔,其區(qū)域選擇性會受到取代基的影響.過渡金屬催化芳香鹵化物的氰化反應已有相當多的報道,Wu等在此研究的基礎上實現(xiàn)了鈀催化內炔、芳基溴化物及亞鐵氰化鉀的三組分反應,非常高效地合成了四取代的α,β-不飽和氰化物(Eq.21).然而,過渡金屬催化烯烴的氰化反應相對較少.2000年,Yamamoto等報道了鈀催化烯烴的氰烯丙基化反應(Eq.22).但只有較活潑的烯烴才能發(fā)生該反應,即雙鍵的同一碳原子上有兩個強吸電子基團.2009年,Breit等報道了鎳催化烯烴與2-氰丙醇的氫氰化反應(Eq.23).在該反應體系中異喹啉酮與氨基吡啶的衍生物兩種配體自組裝成二齒配體能夠促進鎳催化該反應,并獲得以支鏈為主的氫氰化產物.6氰化反應的機理過渡金屬催化碳—氫鍵的官能團化是構建碳—碳鍵、碳—雜鍵最有效、最直接的手段.目前,過渡金屬催化碳—氫鍵直接氰化反應研究已取得重大的進展.2003年,Murahashi等首次報道了釕催化雜原子鄰位sp3碳—氫鍵的氧化氰化反應(Eq.24).該反應以氰化鈉為氰化試劑,以氧氣為氧化劑,在甲醇和乙酸混和溶劑中實現(xiàn)了三級胺中sp3碳—氫鍵的氰化.他們認為該反應的關鍵在于在氧化條件下,三級胺形成了亞胺中間體,從而被體系中的氰基負離子捕獲生成氰化產物.后來他們又用雙氧水作氧化劑,在相同條件也實現(xiàn)了該反應.受到Murahashi等工作的啟發(fā),其它的催化劑體系也已經發(fā)展,并用來催化sp3碳—氫鍵的氧化氰化反應(Scheme11),如五氧化二釩、氯化亞鐵及金催化劑.2006年,Yu等報道了以三甲基硅氰為氰化試劑,利用銅促進的導向基團輔助的sp2碳—氫鍵的氰化(Eq.25).有意思的是當以硝基甲烷為溶劑,不需要其它任何氰化試劑,也可以得到67%的氰化產物.目前該反應的機理還不是很清楚.2009年,Cheng等報道了以氰化亞銅為氰化試劑,利用鈀催化實現(xiàn)了2-苯基吡啶鄰位碳—氫鍵的氰化(Eq.26).該反應可能的機理,首先底物與Pd(II)作用形成環(huán)鈀物種,再與氰化亞銅發(fā)生轉金屬,最后還原消除得到氰化產物,同時產生Pd(0),在氧化劑存在條件下又被氧化成Pd(II),從而完成催化循環(huán)(Scheme12).后來,他們用鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])為氰化試劑,以物質的量的溴化銅為氧化劑,利用鈀催化也實現(xiàn)2-苯基吡啶鄰位碳—氫鍵的氰化.不過他們在研究中發(fā)現(xiàn)了有部分溴化的產物,因此,推測該反應可能是先發(fā)生了鄰位碳—氫鍵的溴化,繼而在鈀的作用下再發(fā)生鹵代芳烴的氰化反應.2010年,Chang等發(fā)展了一種新的氰化試劑,即反應體系中氨水與N,N-二甲基甲酰胺原位地產生氰基.以此為氰源,實現(xiàn)了鈀催化2-苯基吡啶鄰位碳—氫鍵的氰化(Eq.27).他們推測了原位產生氰基的可能過程:首先N,N-二甲基甲酰胺與銅鹽之間通過單電子轉移的作用形成亞胺中間體I,再發(fā)生氨的親核加成反應得到中間體II,最后在氧的作用下發(fā)生碳—氮鍵的斷裂產生氰基(Scheme13).近年來,過渡金屬催化吲哚選擇性碳—氫鍵的官能團化反應進行了廣泛的研究.2010年,我們課題組首次報道了以亞鐵氰化鉀為氰化試劑,利用鈀催化實現(xiàn)了吲哚3-位碳—氫鍵的氰化反應(Eq