金屬有機化學課件.ppt

1、金屬有機化學概述,什么是金屬有機化學,無機化學,有機化學,金屬有機,碳金屬鍵的形成和反應,B,Si, As, Te為類金屬,在很多場合也算作金屬。,金屬和非金屬,金屬有機化學中所定義的金屬,金屬有機化合物的分類,主族金屬有機化合物 有機鋰，有機鎂，有機鋁，有機硅，有機硼 過渡金屬有機化合物 有機銅，有機鋅，有機鈀，有機銠，有機釕等。 稀土金屬有機化合物,主要內容,金屬有機化學的歷史回顧 主族金屬有機化合物及其在藥物化學中的應用 過渡金屬有機化合物及其在藥物化學中的應用,1760年在巴黎軍事藥學院，Cadet等利用金屬鈷鹽合成了一種密寫墨水。由于鈷鹽的礦物中含有氧化砷，所以分離后得到砷的化合物:

2、As2O3+ 4CH3COOK“Cadets fuming liquid”(含有(CH3)2As2O)這是人類合成的第一個有機金屬化合物 1807年Zeise鹽的發(fā)現，NaPtCl3(C2H4)。這是第一個含烯烴配體的有機金屬化合物。 1899年P. Barbier采用鎂作為試劑進行如下反應：,Barbier的學生V. Grignard隨后進行了大量這方面的研究，并因此獲1912年Nobel獎(Grignard反應)。,1922年T. Midgley和T. A. Boyd首先將Pb(C2H5)4作為抗震劑添加到汽油中，促進了汽車工業(yè)的發(fā)展，同時也埋下了環(huán)境污染的隱患。 1930年K. Zieg

3、ler研究了有機鋰化學以及它們在有機化學反應中的應用。 1951年 P. Pauson和S. A. Miller各自獨立合成出二茂鐵(C5H5)2Fe， 這是現代有機金屬化學的里程碑。 1955 E. O. Fisher: (C6H6)2Cr: bis(benzene)chromium 1955年K. Ziegler采用混合金屬催化劑(TiCl4/AlR3)在常溫常壓下催化乙烯、丙烯聚合；隨后，G. Natta發(fā)展并深入研究了這個反應。它們在工業(yè)上的應用大大改善了人們的生活。 1963年K. Ziegler和G. Natta共獲Nobel獎,1956年H. C. Brown發(fā)現硼氫化反應（19

4、79 Nobel Prize ） 1960年M. F. Hawthorne研究了碳硼烷。(1976年 Nobel獎) 1965年G. Wilkinson采用 (Ph3P)3RhCl作為均相催化劑研究了烯烴的氫化反應。 1971年 W.S.Knowles, Monsanto合成了治療帕金森特效藥L-Dopa,開創(chuàng)了不對稱催化的新紀元。 1972年H. Werner首次合成出三層夾心結構化合物C5H5)3Ni2+。 1973年E. O. Fischer首次合成Carbyne Complex：I(CO)4Cr(CR)。,1981年 Nobel獎授予R. Hoffmann和K. Fukui以表彰它們在

5、無機、有機、有機金屬化合物分子結構及其反應活性分子軌道理論處理上的成就，即等瓣相似理論(isolobal analogies)。 1983年 R. G. Bergman和W. A. Graham發(fā)現在過渡金屬化合物存在下CH鍵的活化。 1989年 Jutzi研究了主族元素環(huán)戊二烯類配體化學，如：Cp*2Si。 1990年 M. Herberhold研究了有機過渡金屬硫族化學 2001年 Nobel獎授予W.S. Knowles, R. Noyori and K. B. Sharpless,表彰他們在催化不對稱還原和催化不對稱氧化方面的貢獻。,主族元素金屬有機化學,與碳原子以極性共價鍵相連。 極

6、性共價鍵是具有離子鍵性質的共價鍵 共價鍵的離子性 因為金屬的不同而不同。鉀、鋰、鎂、鋅、鎘的金屬碳鍵的離子特征百分數分別為51、47、43、35、18和15。,金屬有機化合物的制備方法,1.鹵代烴和金屬反應,a直接反應 2M nRXRnM + MXn (或RnMXn) 2Li + C4H9Br C4H9Li + LiBr Mg + C6H5Br C6H5MgBr 由于形成MXn具有較高的熵，所以通常以上反應較易進行。,對于重主族元素(M = Tl, Pb, Bi, Hg)，由于這 些元素的MC鍵很弱，上述反應比較困難。但可以通過加入電負性很強的金屬來促進這個反應的進行： b混合金屬的反應 2N

7、a + Hg + CH3Br (CH3)2Hg + 2NaBr H = 530kJ/mol4 NaPb + 4C2H5Cl (C2H5)4Pb + 3Pb + 4NaCl,2. 金屬有機金屬化合物,M + RMRM + M Zn + (CH3)2Hg (CH3)2Zn + Hg H = 35kJ/mol,這個方法適用于M = Li Cs, Be Ba, Al, Ga, Sn, Pb, Bi, Se, Te, Zn, Cd。RM只能有弱的“放熱”而最好具有“吸熱”性(例如：(CH3)2Hg, H= +94kJ/mol)。決定這一方法是否可行的關鍵因素在于RM和RM的自由生成焓(Gf)之差。,3.

8、有機金屬化合物有機金屬化合物 RM + RMRM + RM 4PhLi + (CH2=CH)4Sn4(CH2=CH)Li + Ph4Sn 由于生成Ph4Sn沉淀，使反應平衡向右移動，易于進行。,4.有機金屬化合物和金屬鹵化物(鹽)交換,RM + MXRX + MX 3CH3Li + SbCl3 (CH3)3Sb + 3LiCl M的電正性大于M時，有利于反應的進行,5. 有機金屬化合物 + 芳基鹵化物 RM + RXRX + RM M = Li nBuLi + PhXnBuX + PhLi,6 有機金屬化合物CH酸,CH酸性特別強的化合物可以直接與堿金屬發(fā)生反應,這種金屬化反應的實質是酸/堿平

9、衡反應。較強的RH的酸性有利于反應的進行。,有機鎂化合物的反應及其在藥物化學中的應用（Grignard試劑）,Grignard試劑的制備方法,格氏試劑是由鹵代烴在干醚溶液中，與金屬鎂粉混合反應所生成，其生成的反應方程式如下,格氏試劑性質極為活潑，在制備和使用時都受到一些嚴格的限制。 在制備時需要嚴格的無水和無氧條件 引發(fā)劑：碘，碘甲烷，1,2-二溴乙烷 溶劑：乙醚（實驗室）四氫呋喃，2-甲基四氫呋喃，甲基叔丁基醚等(工廠),特殊類型格氏試劑的制備,在潔凈干燥的1000ml三口瓶中，加入無水乙酸乙酯250ml和氯化鎂101g與三乙胺146ml。在室溫下充分攪拌1h后，分批加入丙二酸乙酯鉀鹽86.

10、Og，攪拌05h后放置備用。,常見反應,與活潑氫的反應生成烷烴 與金屬鹵化物的反應生成其它金屬有機化合物 與羰基化合物的反應生成仲醇 與酯或酰氯反應生成叔醇 與有機環(huán)氧化合物的反應生成醇,常見副反應及其應用,1.格氏試劑的偶聯(lián)反應,芳香烴基的和烷基的格氏試劑與鹵代烴、硫酸酯、磺酸酯等的偶聯(lián)反應是制備增加烴基的或增加碳原子數的芳香烴和高級烷烴的重要方法,格氏試劑的偶聯(lián)反應用于輔酶Q10的合成,2.烯醇化反應,如果羰基碳原子上連有較大基團形成較大的空間障礙時，親核試劑不能有效地攻擊羰基碳，轉而奪取 -H，被作用物生成烯醇式結構。,3.羰基還原反應,格氏試劑與酮的加成對立體效應敏感，當酮和格氏試劑空

11、間障礙增加時，羰基更多地趨向于被還原。,羰基還原反應應用實例,制備其它金屬有機化合物,有機鋰化合物的反應及其在藥物化學中的應用,有機鋰化合物的制備和反應,鹵代烴和金屬反應,鋰的有機金屬化合物的反應,在化學性質方面，有機鋰化合物與Grignard試劑相似，但反應活性更強。,金屬取代反應,這是一個制備有機鋰化合物的重要方法。可以將RLi作為一個鹽來看待，如果RH的酸性較強，那么將有利于此反應的進行。,實際應用的例子,用于去質子化,與羰基的加成反應,活性比格氏試劑要高，較少受位阻的影響較小。,對,-不飽和羰基化合物的加成,與羰基的加成反應,與腈基反應,這是制備羰基化合物的好方法。,RLi與吡啶反應,

12、制備2-烷基吡啶的好方法。,制備其它金屬有機化合物,有機硅化合物及其在藥學中的應用,在GC和GC-MS中的應用,主要作為衍生化方法，將羥基衍生化為硅醚，以降低沸點，提高穩(wěn)定性，以利于檢測。,硅醚在羥基保護中的應用,三甲基硅基醚（TMSOR），二苯甲基硅基醚（DPMSOR），三乙基硅基醚（TESOR），異丙基二甲基硅基醚（IPDMSOR），叔丁基二甲基硅基醚（TBDMSOR），三異丙基硅基醚（TIPSOR），叔丁基二苯基硅基醚(TBDPSOR)，二叔丁基甲基硅基醚(DTBMSOR)。,脫保護一般用氟離子，如Bu4N+F-,三甲基硅基醚（TMSOR）的應用,叔丁基二甲基硅基醚TBDMSOR）的應用

13、,硅烷作為還原劑,過渡金屬的有機金屬化學,有機金屬化學豐富多彩的一面，主要展現在有機過渡金屬化學領域。 這是因為而過渡金屬的(n1)d, np和ns都是價鍵軌道。這些軌道的部分占有使得過渡金屬兼具電子受/授體(electronacceptor/donor)的性質，過渡金屬進一步再與授/受(donor/acceptor)配體(如CO，異腈，卡賓，烯烴等)相配合，由此而形成的金屬配體MKL鍵的鍵級變化豐富多樣(授體/受體協(xié)同效應，donor/acceptor synergism)。,有機鋅化學及其在藥物化學中的應用,鋅的電子排布,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2,Refor

14、matsky類型反應,-溴代羧酸酯或-鹵代酮在鋅的作用下，與醛、酮或腈反應生成-羥基酸酯或的-羥基酮的反應。,西蒙思-史密斯反應（Simmons-Smith reaction）,有機銅化學及其在藥物化學中的應用,銅的電子排布,1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1,有機銅化合物的制備,M= Li, Mg, Al, Pb. R=烷基，烯丙基，乙烯基，芳基,偶聯(lián)反應,叔鹵代烷不反應，仲鹵代烷反應較困難,構型保持不變,不影響其它官能團,偶聯(lián)反應的構型,銅試劑烷烴構型保持，鹵代烴或烷基甲磺酸酯的構型發(fā)生反轉。,與酰氯反應生成酮,不影響羰基和腈基，芳基酰氯收率低，加入正丁基膦后收率改善

15、。,與,-不飽和羰基化物加成,VIII族金屬有機化合物和催化反應,實驗室規(guī)模的均相催化反應,釕(Ru) 的外層電子排布,Ru,4d7 5s1 5p,Ru,4d8 5s 5p,dsp2雜化軌道 正方形,d2sp3雜化軌道 正八面體,Ru2+,4d6 5s 5p,銠(Rh) 的外層電子排布,Rh,4d8 5s1 5p,Ru,4d8 5s 5p,dSp2雜化軌道 正方形,4d10 5s 5p,Ru3+,d2sp3雜化軌道 正八面體,鈀(Pd) 的外層電子排布,Pd0,4d10 5s 5p,dsp2雜化軌道 正方形,Pd2+,sp3雜化軌道 正四面體,4d8 5s 5p,(1)在常溫下，只有當中心原子

16、具有18或16價電子時，才能存在“有意義”量的反磁性的有機過渡金屬配合物。“有意義”是指能在動力學或光譜研究中檢測到。 (2)有機金屬反應所經歷的基元步驟包含有18或16價電子。 條件(1)和(2)很大程度限制了一個特定配合物所能經歷和發(fā)生的反應數目：,16/18VE規(guī)則可以幫助構建一個看來合理的有機金屬催化反應歷程的框架：,Wilkinsons catalytic hydrogenation,第一個用作均相溶液加氫催化劑的配合物是(Ph3P)3RhCl (Wilkinsons 催化劑)。它在25，1 bar的壓力下即可催化烯烴，炔烴和其它不飽和分子的加氫反應。,Wilkinson react

17、ion 的反應機理,(PPh3)3RhCl 可催化端烯烴和內烯烴的加氫，而(PPh3)3Rh(CO)H則具有高選擇性，只催化端烯烴的加氫：,不對稱催化氫化,1968年Horner 和 Knowles 首次獨立報道了手性叔磷配體的Wilkinsons catalytic hydrogenation 光學收率315，奠定了均相不對稱催化加氫的基礎。 Kagan 發(fā)明了DIOP, 使得該領域取得了突破性的進展， DIOPRh（I）絡合物催化-(酰氨基)丙烯酸和酯的均相不對稱催化加氫以高達80的ee值得到相應的手性氨基酸。 Noyori發(fā)現了BINAPRu（II）手性配體，反應收率高、對應選擇性好，催

18、化劑易于回收,The Nobel Prize in Chemistry 2001 for their work on chirally catalysed hydrogenation reactions William S. Knowles Ryoji Noyori St. Louis, MO, USA Nagoya University, Chikusa, Nagoya, Japan 1938 for his work on chirally catalysed oxidation reactions K. Barry Sharpless 1941 The Scripps Research

19、Institute La Jolla, CA, USA,1917 -,www.nobel.se,常見的手性配體,不對稱催化氫化的應用實例,不對稱催化氫化的應用實例,手性氨基酸LDopa的合成,催化偶聯(lián)反應,the most common transition metal catalyst is palladium, as either palladium(0) or palladium(II) - the latter gets reduced in situ to palladium(0) anyway,Coupling at an Alkenic Hydrogen Site - the H

20、eck Reaction,Coupling at an Alkenic Hydrogen Site - the Heck Reaction,Cross-coupling reactions involving Organometallics,R1 X +R2M R1R2 + M X,organolithiums, magnesiums，organozincs，organotins， organoboron,organolithiums are far too reactive, magnesiums work, but due to a high reactivity they can und

21、ergo scrambling of the organometallic moiety to the other coupling partner giving undesired homo-coupled products, that are very often difficult to separate from the desired cross-coupled product - in any case coupling does not work well and gives poor yields - additionally the Grignard reagent does

22、 not tolerate the presence of functional groups such as carbonyl, ester and nitril.,Cross-coupling of aryl zinc reagents to aryl halides : Negishi Reaction,zinc reagents are easily prepared from the corresponding lithium or magnesium reagent and have a lower reactivity, high tolerance to certain fun

23、ctional groups - such as carbonyl, ester and nitrile, and a lower tendency towards homo-coupling - but nevertheless in some cases homo-coupling occurs in a few percent - sufficiently small to facilitate purification - so overall offering much improved results - however, zinc reagents are still moist

24、ure sensitive which is a practical disadvantage particularly on a large industrial scale.,the low degree of homo-coupling and the low degree of disproportionation (the loss of the leaving group for H) makes aryl zinc reagents very useful in cross-coupling reactions one particular strength of the ary

25、l zinccouplings is the high degree of selectivity between iodo and bromo leaving groups,One area of coupling reactions of organo zincs, seemingly not matched by any other metal is that of alkynyl zinc couplings to aryl halides such a coupling is obviously useful for the introduction of alkynyl units

26、 but more importantly the hydrogenation of the coupled alkyne gives an alkyl chain,Cross-couplings involving Organoborons: Suzuki Reaction,cross-coupling reactions involving arylboronic acids and aryl halides were first reported in 1981 by Suzuki - hence Suzuki Reaction such couplings were, at first

27、 glance, just another methodology similar to magnesiums and zincs - but Suzuki Couplings have become the most commonly used aryl-aryl bond forming reaction.,unlike magnesiums and zincs, arylboronic esters and acids are stable to air and moisture and can be isolated and purified - many are now commer

28、cially-available - such stability means that the coupling reactions can be performed in aqueous media without special precautions.,advantageous (a) normally no homocoupling or so little. (b) borons are not toxic.(c) organoborons are stable to air and moisture, and can be purified, stored and used as

29、 and when required. (d) couplings tolerate a wide range of functional groups, esters, nitriles, carbonyls, nitros, alcohols and phenols (e) consistently high yields for a wide range of substrates. (f) very efficient even for sterically hindered couplings. disadvantages (a) some boronic acid species are easily hydrodeboronated. (b) selectivity between iodo and bromo leaving groups is not as good as for zinc couplings.,although a stronger b