第9章 过渡金属络合物的基本反应和催化机理,9.1 过渡金属络合物的结构,9.2 过渡金属络合物的基本反应,9.3 过渡金属催化反应实例,9.1 过渡金属络合物的结构,9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算,9.1.2 键和键,9.1.1 18电子规则和中心原子价壳层电子数的计算,过渡金属络合物可利用d轨道成键，稳定结构是价壳层电子数为18，称为18电子规则,与八隅体规则不同的是，许多价壳层电子数小于18的过渡金属络合物也能稳定存在,价壳层电子数大于18的过渡金属络合物不能稳定存在,价壳层电子数N的计算,N = Nligand + dn V,式中：Nligand为配体提供的电子数,dn为中心原子d电子数,V为络合物所带电荷数,常见配体的电子数,单电子配体：R, H, R2N, halogen, etc.,双电子配体： R2C (carbenes or alkylidene groups), RN(imido groups), or O(oxide)，以键配位的烯烃以及 R3N, RCN, H2O, R3P等Lewis碱,多电子配体：烯丙基（3)，丁二烯（4），环戊二烯基(cp, 5), 苯（6）等,计算以下反应中各络合物的价壳层电子数,18 16 18,9.1.2 键和键,键：沿键轴对称,键：沿键轴反对称,给予键：键,反馈键：键,配位键的表示法,9.2 过渡金属络合物的基本反应,9.2.2 氧化加成和还原消除反应,9.2.3 迁移插入和氢消除反应,9.2.1 配体的配位和解离,9.2.4 转移金属化反应,9.2.1 配体的配位和解离,9.2.2 氧化加成和还原消除反应,单电子氧化加成和双电子氧化加成,单电子氧化加成,双电子氧化加成,单电子氧化加成和双电子氧化加成,Vaska络合物的各类双电子氧化加成反应如下,氧化加成的机理,氢的氧化加成：协同机理,氧化加成的机理（续）,卤代烃的氧化加成：亲核机理或自由基机理,亲核机理的实验证据,取代基效应 中心原子上的给电子配体，卤代烃分子 中的吸电子基团对反应有利,R的立体化学 构型转化,注意：d0络合物不能发生氧化加成反应,影响氧化加成的因素,氧化加成是中心原子氧化态升高的过程，任何使 中心原子电子云密度升高的因素都会对氧化加成 产生有利的影响,对于同系物的同类型氧化加成反应，可根据以下 规则判别反应的难易,影响氧化加成的因素（续）,中心原子氧化态越低，越有利于氧化加成,中心原子所在周期数越高，越有利于氧化加成,中心原子已有配体供电性越强，越有利于氧化加成,影响氧化加成的因素（续）,配位不饱和的络合物容易发生氧化加成反应,配位饱和的络合物发生氧化加成时，必须先离解出 一个配体，生成配位不饱和的中间体，方可反应,氧化加成的逆反应：还原消除,还原消除反应中，中心原子的氧化态和配位数均 降低。中心原子电子云密度高低对还原消除反应的 影响与对氧化加成反应的影响相反,形成CC或CH键的还原消除往往是催化过程的最后一步,还原消除的机理,形成CC或CH键的还原消除通常为协同机理,9.2.3 迁移插入和氢消除反应,烯氢插入,氢消除是烯氢插入的逆反应,烯烷基插入,迁移基团R构型保持,对烯烃来说，为同向加成,Markownikoff加成和反Markownikoff加成,羰基插入,9.2.4 转移金属化反应,9.3.1 卤代烃与不饱和烃的偶联,卤代烃与炔烃的偶联（Sonogashira偶联）,卤代烃与烯烃的偶联(Heck反应）,9.3 过渡金属催化反应实例,卤代烃与硼烷的偶联(Suzuki偶联),卤代烃与格林亚试剂的偶联(Kumada偶联),9.3.2 卤代烃与金属有机化合物的偶联,卤代烃与有机锌的偶联(Negishi偶联),卤代烃与有机锡的偶联(Still偶联),9.3.1 卤代烃与不饱和烃的偶联,卤代烃与烯烃的偶联, R F Heck, 1970,R = aryl, benzyl, alkenyl, alkyl(no hydrogen),Heck反应的特点,烯烃中取代基电性对反应影响不大，有吸电基的烯烃收率略高；取代基越多，反应越慢,烯丙醇在反应中会发生重排,反应通常在膦配体和碱存在下进行，对水不敏感,Heck反应的特点（续）,RX的反应速率按以下顺序递减，氯代烃反应慢,I Br OTf Cl,对于有氢的卤代烃，易发生氢消除生成烯烃,Heck反应的机理,由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：,氧化加成（oxidative addition),还原消除（reductive elimination),转移金属化（transmetallation),插入(insertion)和氢消除(-hydride elimination),Heck反应合成lasiodiplodin,A potent anticancer macrocyclic natural product,Frstner, A., Thiel, O. R., Kindler, N., Bartkowska, B. Total Syntheses of (S)-(-)-Zearalenone and Lasiodiplodin Reveal Superior Metathesis Activity of Ruthenium Carbene Complexes with Imidazol-2-ylidene Ligands. J. Org. Chem. 2000, 65, 7990-7995,参考文献,卤代烃与炔烃的偶联,Castro-Stephens偶联,In the early 1960s, R.D. Stephens and C.E. Castro discovered that disubstituted acetylenes were produced in good yield upon treatment of aryl iodides with stoichiometric amounts of copper(I) acetylides under a nitrogen atmosphere in refluxing pyridine,The copper(I) mediated coupling of aryl or vinyl halides with aryl- or alkyl-substituted alkynes is known as the Castro-Stephens coupling.,Castro-Stephens偶联的机理,The reaction is believed to proceed via a four-centered transition state,Castro-Stephens偶联的缺点,Most copper(I) salts are insoluble in organic solvents, so the reactions are often hetero-geneous and require high reaction temperatures,The reactions are sensitive to functional groups on the aryl halides, and the yields are often irreproducible,Castro-Stephens偶联合成tribenzocyclotriyne,Kinder, J. D., Tessier, C. A., Youngs, W. J. Synthesis of a para-methoxy substituted tribenzocyclotriyne. Synlett 1993, 149-150,参考文献,Sonogashira偶联，1975,Catalytic version of the Castro-Stephens coupling,Pd-catalyst: Pd(PPh3)2Cl2 or Pd(PPh3)4,Cu(I)-salt: CuI or CuBr,base: Et2NH, Et3N, (i-Pr)2NEt,solvent: MeCN, THF, EtOAc,Sonogashira偶联的机理,Sonogashira偶联的特点,The coupling can usually be conducted at or slightly above room temperature,The handling of the shock-sensitive/explosive copper acetylides is avoided by the use of a catalytic amounts of copper(I) salt,Sonogashira偶联的特点（续）,The solvents and the reagents do not need to be rigorously dried. However, a thorough deoxygenation is essential to maintain the activity of the Pd-catalyst,The order of reactivity for the aryl and vinyl halides is I OTf Br Cl,Sonogashira偶联合成mappicine,Camptothecin，喜树碱用于治疗胃癌、肠癌， 慢性粒细胞型和急性白血病等,Toyota, M., Komori, C., Ihara, M. A Concise Formal Total Synthesis of Mappicine and Nothapodytine B via an Intramolecular Hetero Diels-Alder Reaction. J. Org. Chem. 2000, 65, 7110-7113.,参考文献,9.3.2 卤代烃与金属有机化合物的偶联,卤代烃与硼烷的偶联，Suzuki偶联,1979年，A Suzuki和N Miyaura发现在钯催化下硼烷可与卤代烯烃偶联，生成E烯烃,后来，就把钯催化下硼烷与有机卤化物或三氟甲磺酸酯的偶联称作Suzuki偶联,Suzuki偶联反应的特点,硼烷或硼酸酯毒性小,反应有好的立体选择和区域选择性,反应条件温和，水对反应干扰小,后处理简单，无机副产物易除去,Suzuki偶联反应的缺点,卤代烷和芳香族卤代烃反应性不好,反应需碱催化，可能导致外消旋化等副反应,有时可能会生成一些自偶联副产物,Suzuki偶联反应的改进,发展有利于芳烃和卤代烷烃偶联的催化体系,Suzuki偶联反应的机理,由过渡金属络合物的一些基本反应构成，包括：,氧化加成（oxidative addition),还原消除（reductive elimination),转移金属化（transmetallation),芳基硼酸酯与卤代芳烃偶联合成TMC-95A,Proteasome inhibitor,Lin S, Danishefsky S J. The total synthesis of proteasome inhibitors TMC-95A and TMC-95B: discovery of a new method to generate cis-propenyl amides. Angew Chem Int Ed Engl. 2002, 41(3): 512-515,参考文献,Miyaura硼酸化反应(1993-1995),Miyaura硼酸化反应机理,卤代烃与格林亚试剂的偶联,Kumada偶联, M Kumada 和R J P Corriu, 1972,镍膦络合物催化下，卤代烯烃或卤代芳烃与格林亚试剂的偶联,改用钯膦络合物催化，可实现卤代烯烃或卤代芳烃与有机锂的偶联,Kumada偶联反应的特点,对于