铁催化下格氏试剂的偶联反应

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1、铁催化下格氏试剂参与的 C-C 偶联反应 姓名：徐英 学号：51007008 专业：应用化学 摘要：作为廉价而且低毒的金属 Fe 是催化剂的理想原料，C-C 偶联反应大多数是在 Pd 和 Ni 的络合物催化下完成的，但是它们存在很多缺点。为此，人们开始关注了铁，本文简要 的综述了 Fe 催化格氏试剂参与的碳-碳偶联反应的条件和选择性；探讨这些新奇反应的可 能机理；并介绍这些反应在化合物合成中的应用。 关键词：铁、格氏试剂、C-C 偶联、金属有机 1、 前言 格氏试剂早在 1912 年就已成为了媒体的焦点，因其与不同的物质反应，可以合成烃类、 醇类、酮类、醛类、羧酸类及金属有机化合物等，而深受广

2、大有机合成者的喜爱，已成为 有机金属化合物中重要的一类化合物，也是有机合成上的非常重要的试剂之一。今年的诺 贝尔化学奖-钯催化下的 C-C 交叉偶联又将为历史旋开新的一页，个人认为此反应像格氏试 剂一样在碳-碳连接上起着不可估量的作用。 自 1972 年发现了格氏试剂与卤化烃的偶联以来，偶联反应在 30 年来已得到了极大发 展。总的说来，主要的金属催化的偶联反应可以用以下方程式表示1（图 1-1）:图 1-1 这些偶联反应在有机合成中发挥了重大作用，比如在染料、医药、农药、日用化工品、 以及高聚物的制备中有着广泛的应用。所以，人们对过渡金属催化的偶联反应的研究越来 越多、越来越深入。但人们研究

3、最多的过渡金属主要是 Pd 和 Ni 的络合物，这些催化剂的 优点是反应条件温和、产率较高、适用性广。同时它们也有着以下几条缺点：(1)Pd 的价格 高昂； (2) Pd 和 Ni 毒性较强；(3) Pd 和 Ni 催化的反应常常需要昂贵而且剧毒的膦配体来 参与。此外，Pd 和 Ni 催化反应的底物通常为碘化物和溴化物，而不是廉价且稳定的氯化 物和磺酸酯2。因此，对于用 Pd 和 Ni 催化的碳碳交叉偶联在大批量的生产和工业应用上 就受到了一定的限制，虽然某些反应已经实现了工业化，但是还有很多地方需要改进以实 现更好的经济效益。 既然 Pd 和 Ni 催化的碳碳交叉偶联存在不足，就有人会改进此

4、方法，只不过改进的途 径不同而已，有的是改进其配体以提高其反应性能，使其能与廉价且稳定的氯化物和磺酸 酯；而有的则是选用其他的过渡金属，因为过渡金属由于外层电子具有部分充满或全部充 满的 d 轨道，这一特征有别于其他金属元素。又由于过渡金属有别于其他主族金属元素所 表现出来的一些性质，过渡金属基于十八电子规则，除了形成 键外，还可以与碳原子、 氧原子、乙烯、氨等原子或者分子配位生成过渡金属配合物，在给电子的同时，还可以接 受反馈的电子3。人们就开始从过渡金属找，但是反应往往局限在金、银、钯、钌、铱、 锗等这些稀有的有毒的贵金属。虽然其反应类型比较广泛，并且其应用也比较成熟，但是 也存在着使用价

5、格较高，反应条件不够温和等问题，因此发展铁等廉价又环保的金属来催 化合成反应是迫切和必要的。不幸的是，多年来有机化学工作者一直忽视了Fe催化剂在碳-碳偶联反应中的应用，直 到最近几年，人们才惊讶地发现Fe的催化剂可以很好地催化碳-碳偶联反应。随后的研究表 明Fe催化的碳-碳偶联反应有着一些独特的选择性，因而它们可以替代Pd和Ni而应用到复杂 化合物的合成中。 与Pd和Ni催化剂相比Fe催化剂在碳-碳偶联反应中表现出更优异的特性，主要有以下几 个方面：（1）Fe催化剂廉价低毒，在生物体内广泛存在 （PdCl2$26.70/g、NiCl2$0.39/g、FeCl3$0.03/g） ；（2）Fe催化

6、反应所需反应物的浓度和温度 较Ni的低；（3）具有高度的立体专一性，反应前后构型保持格氏试剂中的烷基不发生异构 化；（4）能与较廉价且稳定的氯化物和磺酸酯反应4。 2、 铁催化下格氏试剂与卤代烃的反应 早在 1971 年，Kochi 等5发现 Fe 可以催化格氏试剂与卤代烯烃或芳基卤化物发生碳- 碳偶联反应，并进行了一系列的研究提出了可能的反应机理。但在当时，由于 Pd 和 Ni 高 效催化的研究热潮，在接下来的一段时间内对 Fe 催化的碳-碳偶联反应的研究被忽视了， 研究也就停滞了下来，在相当一段时间内进展不大。当这一热浪过后，人们又重新注意到 Fe 的特殊的催化效用，并推测出 Fe 催化的

7、可能机理，这些机理有的仍然没有得到证实。 1971 年 Kochi 等5发现，Fe(III)可以催化 1-溴丙烯与格氏试剂的 C-C 偶联反应，该反 应在 THF 溶剂中立体定向的完成（如图 2-1） 。BrMeMgBrBrFeCl3 Cat.FeCl3 Cat.图 2-1 Ni 也能催化类似的反应，但 Fe 作为催化剂比 Ni 催化的反应能在较低的浓度和温度下 进行，而且 Fe 催化的反应是立体专一的且无格氏试剂上的烷基异构化被观察到，这点也与 Ni 催化的反应形成了对比，但是此反应需要烯基卤代烃过量，这使得在实际操作过程中会 带来一些麻烦。 一开始 Kochi 等提出了了 Fe 催化卤代烯

8、烃与格氏试剂反应可能的反应机理。Fe 在参 与反应的历程中经历了化合价的变化，Fe 有三价被两分子的格氏试剂还原为一价。Fe(iii)RMgBr Fe(i)反应可能的历程是:首先1-溴丙烯对Fe(I)的氧化加成,随后格氏试剂与生成的Fe(III)化合 物交换基团，最后是连接了两个烃基的Fe(III)化合物进行还原消除得到偶联产物及Fe(I)完 成一个循环 (图2-2)：FeIFeIIIRCH=CHCH3FeIIIBrCH=CHCH3BrRMgBrMgBr2R图 2-2 我认为此反应机理可能是：卤代烯烃与低价金属铁先进行氧化加成，形成一个三元环， 其动力来自烯烃的成键轨道供给电子和金属的 d 空

9、轨道重叠；金属的全满 d 轨道和烯烃的 反键轨道相重叠，形成反馈键，成键的结果是烯烃的 成键轨道电子云密度降低，*反键 轨道电子云密度增加，烯烃被活化，有利于格氏试剂上烃基的进攻，形成一个五元环的过 渡态，在体系中氯离子的作用下很快的转变成产物、溴化镁和三氯化铁，三氯化铁进入下 一步反应，如此循环利用（图 2-3） 。FeCC成成键键轨轨道道形形成成的的配配位位键键反反键键轨轨道道形形成成的的反反馈馈键键BrBrFeClClFeBrClClFeCl3-ClRMgBrMgBr2 R+Cl- + FeCl3图 2-3Frstner 在研究 Fe 催化芳基卤化物与有机金属试剂的反应时提出了类似于 H

10、eck 反应中 氧化加成和还原消除的机理，该机理的历程（如图 2-4）：即铁催化剂首先与格氏试剂反应生成低价的铁活性中心 A，然后烷基卤代烃氧化加成 到 A 上生成 B，B 再与芳基格氏试剂发生交换反应生成 C，紧接着 C 还原消除生成目标偶 联产物以及重新生成铁活性中心 A。其中中间体 B，C，D 会发生消除反应生成烯烃，烷烃 和联苯等副产物，这是证明此机理的重要依据。 对于这个机理的看法比较局限，首先这个机理涉及到金属空配位才能使烷基卤代烃氧 化加成到 Fe 上，同时也涉及到 氢的消除和还原消除，根据我现有的知识和我对金属有 机化学的理解来，还是比较赞同这个机理的。苏州大学的陶雪平等在研究

11、铁化合物催化的 Kumada 偶联反应时检测到了由中间体 B，C，D 生成的 -H 消除产物和还原消除产物， 还有由中间体 E 生成的联苯产物，说明此催化过程是按照氧化加成-还原消除机理进行的6。这只能说明在她所做的这类化合物中是按氧化加成-还原消除机理进行的，但是不能以偏概 全，因为对于机理这个东西绝对的很少，只是大家暂时认同罢了！ 又有文献报道格氏试剂与含取代溴基的环丙烷在铁的催化下反应时是按自由基机理进 行的，并提出了相应的依据7（如图 2-5） 。图 2-5 自由基机理 作者认为如果是通过氧化加成途径，则会生成简单的偶联产物 2，而实际上并非如此， 生成的是开环产物 3，说明此反应不是

12、经过氧化加成-还原消除机理进行的，而是自由基机 理进行的。 3、 铁催化下格氏试剂与酰氯的反应 众所周知，酰卤与格氏试剂反应，首先生成酮，在 RMgX 过量的情况下，进一步反应 生成叔醇:如果控制 RMgX 的用量，在低温下反应，且增加酰卤或格氏试剂的空间位阻，则可避 免反应继续进行，从而得到酮8。这个反应机理是被大家认同的，但是在铁的催化下这个 反应就不同了，其产物主要酮9，举两个例子进行说明并探讨一下该反应可能的机理。9ClO +MgCl0.9% FeCl3Et2O, -70 oCO10RClO +RMgX3 mol% Fe(acac)3THF, -78 oCRRO有文献报道了与该反应相似

13、的反应在钴的催化下是是按自由基机理进行的，如果按自 由基机理进行的话，就像上面的自由基反应一样应该在反应的过程中有相应的铁和反应后 释放出酮，但是在这个反应中没有相应的铁和产物酮而是在反应后加入水才能得到产物酮， 由此说明该反应不是按自由基机理进行的而是三氯化铁以 Lweis 酸的形式参与了反应。我 认为该反应的机理可能是：羰基先互变异够，氧上的孤对电子与三氯化铁上铁的空轨道结 合，然后格氏试剂释放出来的烃基负离子进攻碳正，使得三氯化铁与氧的结合不是很紧 （与卤化镁相比） ，因为卤化镁与氧能形成更稳定的建所以卤化镁取代了三氯化铁，使三氯 化铁脱落而进入下一个循环过程，这的三氯化铁就像碘离子一样

14、即容易上又容易下，从而 起到催化的作用。其具体过程如下：RClO C CClOR- -+ +F Fe eC Cl l3 3C CClOR- -+ +F Fe eC Cl l3 3RMgXR R + +M Mg gX X C CClOR- -F Fe eC Cl l3 3R R M Mg gX XC CClOR F Fe eC Cl l3 3R R + +RRO + +M Mg gX XC Cl lH H2 2O OM Mg gX X在铁的催化下格氏试剂还能与其他的物质发生一些意想不到的反应，如：（1）硫代烯 烃与格氏试剂的反应，反应主要发生在烯烃-S 键之间，只有很少量的发生在芳基-S 键之间

15、， 显示了 Fe 催化剂独特的选择性,而 Pd 和 Ni 催化时，偶联反应可以在烯烃-S 和芳基-S 间发 生.。利用这种独特的选择性可以合成一些特定的化合物；（2）炔烃衍生物与格氏试剂的 反应，该反应进行得很快，即使在低温，用少量的催化剂，不需要加额外的试剂就能得到 满意的产率，该反应具有立体选择性；（3）格氏试剂的自偶联反应而且这些反应机理 比较独特甚至有的根本就没有一个比较完整的且被大家公认的机理，仍然只是一些推测， 虽然有的反应通过实验证实了某个机理的真确性，但是只是针对作者做的那个实验不能推 广应用，所以铁的催化下格氏试剂反应机理的研究充满了挑战，这可能也是研究此反应不 是很多的一个

16、原因。 4、 铁的催化下格氏试剂反应的应用 既然人们发现了铁催化格氏反应有如此多的好处就会有人应用，这样才能体现研究的 价值，因为此反应是基于 C-C 偶联反应而研究的，所以一些文献报道的都是关于 C-C 偶联 的反应。 如武汉大学的博士生刘伟做了关于铁催化的非活化芳烃的直接芳基化反应，采用了廉 价绿色的氧气作为氧化剂代替传统的有机氧化剂或无机氧化剂，首次在室温条件下实现了 经济绿色的铁催化的芳基格氏试剂的高效氧化自偶联反应合成联芳烃化合物11；武汉工业 大学的王刚同学做了关于铜-铁催化的格氏试剂偶联反应在液晶材料合成中的应用，通过铜、 铁催化的格氏试剂偶联反应合成液晶材料的应用研究，解决了这些问题，简化了原有的合 成路线，降低了成本，提高了原子利用率和合成产率，减少了合成过程中的环境污染，使 合成方法更为绿色化12，还有很多类似的研究，这些都体现了人们开始关注并应用廉价低 毒的铁来合成较成熟的一些 C-C 偶联反应，并都取得了一些不错的成果，因此，关于铁的 催化下格