鈀催化的碳—碳偶聯反應研究簡介

摘 要：在有機化學中，C-C鍵的形成是有機合成研究的重要內容，而過渡金屬鈀催化的偶聯反應則是形成C-C鍵的一種有效手段。目前鈀催化的偶聯反應已在科研、醫藥生產等領域得到廣泛應用。偶聯反應的種類較多，文章主要內容是簡單介紹過渡金屬鈀在以下幾種碳碳偶聯反應以及合成中的應用。

關鍵詞：鈀催化；碳-碳鍵；偶聯反應

前言

與一般催化劑相同，過渡金屬催化的有機反應也只是改變了化學反應的速度，降低了反應的活化能，使原來難于發生的反應變得容易進行。

過渡金屬催化的有機反應常常具有很高的選擇性，這種選擇性決定了其在未來的偶聯反應中具有更廣闊的發展空間，概括其選擇性主要有以下幾點：包括化學選擇性、區域選擇性和立體選擇性。文章以下便針對常用的幾種偶聯反應進行簡要分析。

1 常用偶聯反應簡介

1.1 Stille偶聯反應

Stille偶聯反應是有機錫化合物和不含β-氫的鹵代烴（或三氟甲磺酸酯）在鈀催化下發生的交叉偶聯反應。其機理最初就是由Stille根據轉金屬復合物的決速步驟而提出的四步循環機理。

四（三苯基膦）合鈀（0）是最常用的鈀催化劑。對于Stille交叉偶聯反應還有一個有趣的現象就是添加物對這個反應有很大的影響，尤其是銅的添加物，對反應起著很大的作用，在反應過程中Cu與反應媒介生成了更加活潑的銅媒介，使得反應更易發生。

1.2 Negishi偶聯反應

Negishi交叉偶聯反應有機鋅試劑與鹵代烴在鈀配合物的催化下發生偶聯反應，生成新的碳-碳鍵。最早的報道見于1977年，這個反應可以進行Csp3-Csp2，也可以進行Csp3-Csp3之間進行的碳-碳鍵偶聯。

反應整體上經過了鹵代烴對金屬的氧化加成、金屬轉移與還原消除這三步。這個反應的鹵代物的活性順序為Zn>Mg>>Li。對于鋅試劑在溫和條件下就能發生反應。與格式試劑相比，鋅試劑在官能團容忍度上更勝一籌。用含鈀催化劑時，通常產率較高，對官能團的耐受性也比較好。

1.3 Suzuki反應

Suzuki反應是在鈀配合物催化下，有機硼化合物和有機鹵素化合物發生的偶聯反應，一般需要堿作催化劑。該反應用途相對較廣，相對比其他偶聯反應，其官能團耐受性以及底物適應性較強，在聯苯衍生物、多烯烴等有機合成反應中發揮了巨大優勢，因此在有機合成材料生產中得到了認可。并且隨著實踐經驗的總結，其催化劑也得到了發展，目前膦配體催化劑是目前催化火星相對較大且具有經濟性的催化劑，實現氯代芳烴在偶聯反應中的應用。另外技術人員逐步開發出無膦配體催化劑，從而使得偶聯反應尤其是合成聚苯類功能材料過程中，聚合物結構不會因為副反應而出現不規整現象。除此之外，負載于載體上的復合催化劑的制備與重復利用有效地降低了較昂貴的鈀的使用成本。

1.4 Heck偶聯反應

Heck反應近四十年來已經逐漸發展成為一種應用日益廣泛的有機合成方法，是在堿性條件下鈀催化的芳基或乙烯基鹵代物和活性烯烴之間的偶聯反應。

原料鹵代烴或三氟甲磺酸酯中的取代基可以是芳基、芐基或乙烯基，烯烴的雙鍵碳必須連有氫，且通常為缺電子烯烴。一般情況下，取代基越大，數目越多，反應速度越小，收率越低。

Heck反應的催化體系主要有以下幾種催化體系：鈀催化體系、 銠催化體系、釕催化體系、鎳催化體系。目前Heck反應的應用在有機全合成中有著極其廣泛的應用。

1.5 Hiyama偶聯反應

Hiyama偶聯反應是鈀或鎳催化的芳基、烯基、烷基鹵化物或擬鹵（如三氟甲磺酸酯）與有機硅烷之間的交叉偶聯反應。反應催化循環經過氧化加成、轉金屬、順反異構化和還原消除幾步，其中關鍵是用氟離子把有機硅中低極化的Si-R鍵活化，以便進行金屬交換。

和其他有機金屬試劑相比，有機硅試劑有著其獨特的性質。有機硅試劑比鎂試劑和鋅試劑穩定；有機錫化合物有著高毒性，而硅元素是一種對環境友好的元素，有機硅化合物最終氧化成無生物活性的硅膠，參與的反應副產物少且產物易于處理。此反應有諸多優點，包括高原子經濟、對環境影響小、有機硅試劑容易儲存、易于操作、低毒性、反應條件溫和、產率和選擇性高以及對其他官能團的耐受性較好等。例如：氯化鎳、LiHMDS和去甲麻黃堿存在下，以氟化銫作氟離子源，仲鹵代烴與有機硅之間的偶聯：

這個反應的一個主要的缺點就是需要大量氟化物的參與。不過近年來更多的成就在于游離氟的應用。發展了各種溫和條件下的試劑在有機硅下的交叉偶聯但對硅保護基的不兼容性，有機硅的制備不易以及活化劑的昂貴，在一定程度上限制了此反應的應用。

1.6 Glaser偶聯反應

Glaser于1869年首次以苯乙炔為原料，用銅鹽（CuCl）作催化劑合成了1，3-二炔，這類反應被稱為Glaser偶聯反應。

一價銅鹽為反應所必需，常見的是氯化亞銅、溴化亞銅和乙酸亞銅。氨是經典的所用堿，用于奪取炔的酸性C-H質子。溶劑可以是水或乙醇。反應經雙核的、含橋連的炔配體的銅絡合物中間體。氧氣用于銅催化劑的重新氧化。

通過對Glaser偶聯反應的研究，拓展了三類新的偶聯反應。（1）Hay偶聯反應，用TMEDA作堿，增加在有機溶劑中的溶解性，從而拓展溶劑種類。（2）Eglinton偶聯反應：用銅（II）鹽而非銅（I）鹽，如乙酸銅。且銅鹽定量，非催化量；故不再需用氧氣重新氧化。堿多用吡啶或其他含氮有機堿。（3）Cadiot-Chodkiewicz偶聯反應：可用于不同炔的偶聯，合成非對稱雙炔，不同于格拉澤偶聯只對相同炔類適用。

該反應對底物敏感，炔上連有苯基及羥烷基可促進偶聯反應的進行。例如：順-1，4-二乙炔基-1，4-二甲氧基-2，5-環己二烯與自身和N-溴代琥珀酰亞胺、硝酸銀作用得到的二溴化物，在甲醇中以及哌啶、鹽酸羥胺和溴化亞銅存在下進行偶聯，得到多個對稱的大環多炔產物。

1.7 Kumada偶聯反應

Kumada交叉偶聯反應是烷基或芳基格氏試劑與芳鹵或乙烯基鹵在鎳或鈀催化下的交叉偶聯反應，反應產物為苯乙烯衍生物。1972年，Kumada等報道了格氏試劑（苯基溴化鎂）與芳鹵或乙烯基鹵在鎳催化劑NiCl2（dppe）2作用之下交叉偶聯為苯乙烯的反應。

這類反應的缺點主要是格式試劑對水和空氣敏感，且極易與許多其他活潑功能基團發生反應。

Kumada偶聯反應的優點在于格式試劑的直接應用。與Negishi Coupling反應比較，其減少了從起始金屬轉變成Zn復合物的額外反應步驟。對于Ni催化的Kumada偶聯反應也有一些缺點及不足之處，例如：格式試劑對于水的不穩定性，官能團容忍性很低，而且對于vinyl mono-halides型的試劑有一定得區域選擇性，但是對于芳基試劑區域選擇性則很差。對于Pd催化的Kumada偶聯反應區域選擇性就有極大的提高。

2 結束語

通過上述分析可以看出，在催化反應條件上過渡金屬催化的碳碳、碳氮鍵偶聯反應相對較為溫和，并且其能夠應用在多種反應中，且反應產物容易獲取分離。另外其能夠有效兼容底物，具有較高的產率，因此在有機化學領域中得到了認可，并逐步推廣開來。目前偶聯反應向著環境友好方向發展，不僅優化其反應介質以及反映條件，同時其催化劑的開發也向著高效、低毒、多選擇、可循環方向發展。

參考文獻

[1]彭宗海，付海燕，馬夢林，等.新型含咔唑雙膦配體-鈀催化Suzuki反應[J].催化學報，2010（12）.

[2]張強.幾種無機負載催化劑的制備、表征及其在有機合成中的應用[D].南京理工大學，2013.