膦配合物在合成中的若干应用

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1、膦配合物在合成中的若干应用摘要：近年来，合成手性配体的一种发展趋势是，在手性膦配体的基础上，引入氮、氧或硫等杂原子，生成多齿的混合功能团配体。本文选了几个方面来综 述膦配合物的应用。关键字：膦配合物；氢甲酰化；Suzuki 偶联反应1.引言引言手性化合物在医药、农药、食品添加剂、功能高分子材料等领域有着广泛 的应用。对于许多有生物活性的化合物而言，其两种对映体往往具有不同程度 的活性，或具有完全不同的生理作用。因此如何能够高产率、高光学纯度、低 成本低能耗地获得单一对映体化合物是化学家研究的重要课题。研究表明，不 对称催化是制备单一对映体化合物最有效、最重要的途径之一。它仅用少量手 性催化剂，

2、实现手性转移、手性倍增，生成大量的旋光性产物。为实现高效的 不对称催化反应, 化学工作者需要设计合成优秀的手性催化剂。通常，手性金 属催化剂由金属中心和中性或阴离子的手性辅助配体组成。借助手性配体的结 构、构型和刚性，能够在催化活性中心周围营造一种特殊的手性立体微环境， 以有效控制反应物分子的空间取向和反应进程，发挥特异的光学选择性。因此 手性配体是实现不对称催化反应的关键。近年来，合成手性配体的一种发展趋 势是，在手性膦配体的基础上引入氮、氧或硫等杂原子，生成多齿的混合功能 团配体。这类配体中的混合功能团，不仅能与金属中心络合，生成刚性较强的 手性金属络合物，而且在催化反应的过程中，配体中功

3、能团还能够与底物络合， 生成活性中间络合物，类似于酶催化中金属中心及其周围功能团与底物分子的 多点相互作用，减少了过渡态的自由度，有利于提高光学选择性。本文选了几 个方面来综述膦配合物的应用。92.氢甲酰化反应方面氢甲酰化反应方面氢甲酰化反应是烯烃与合成气在过渡金属络合催化剂作用下生成醛或醇的 均相催化反应过程。氢甲酰化反应最早研究的催化剂是 Fe(Co)6、Co2(CO)8和 Rh4(CO)12等，这类催化剂需在高温高压下操作, 热稳定性差且选择性也不高。 经过一系列探索研究后壳牌公司最早提出了用有机膦配体部分地取代 CO 配体 的改性途径，改性后的催化剂由于引入了比 CO 体积大且具有更强

4、的电子给予 能力的膦配体, 其热稳定性和选择性都有了显著提高，从而实现了低温低压氢 甲酰化反应的操作过程。对于反应产物的收率和选择性的改进仍不乏各种尝试， 在增加催化剂的活性和稳定性方面也做了很多努力。其中最重要的是改变中心 原子和配体，主要途径包括:催化剂 HM (CO)mLn，改进方法为 M= Co、Rh、Fe、Ru、Os、Ir 等，L=PR3、P(OR)3、PAr3等对配体的改性是氢甲酰化反应催化剂研究中的一个重要方面, 配体的引入会 对整个反应的活性、选择性及动力学等产生一系列的影响。在氢甲酰化反应中 用于催化剂改性的配体主要是叔膦。磷原子基态的外层电子组态为 3S2 3P3，它 以不

5、等性 SP 3 杂化轨道与 3 个取代基（烷基、芳基、烷(芳)氧基等) 分别形成 3 个 键，余下的一对孤对电子与中心金属原子配位形成配位键，磷原子的 3d 轨道可以和中心原子的适当的 d 轨道重叠, 接受反馈电子。膦配体的立体效应 对反应物烯烃和 CO 与中心原子的配位也有着重要的影响，因此催化反应的活 性、选择性和稳定性等都是与膦配体的电子和立体效应密切相关的。2.1.1. 烯烃氢甲酰化反应方面烯烃氢甲酰化反应是典型的原子经济反应，从最初使用的羰基钴催化剂发 展至今，其催化剂研究已有 60 多年的历史。50 年代中期，人们发现铑络合物 比钴对氢甲酰化反应具有更高的活性，可以使反应在更温和的

6、操作条件( 更低 的温度和压力) 下进行。此后，关于氢甲酰化反应的众多研究报道主要集中在 对铑催化剂体系的改进，对活性更高、选择性更好及环境友好的催化剂体系的 追求，促成了铑催化剂体系从均相到负载液相、负载水相及水/ 有机两相催化 体系的快速发展。其中对大量不同结构膦配体的合成研究, 在这一进程中担当 了极其重要的角色。四川大学化学学院有机金属络合催化研究所张寿春, 陈华等研究了由 Rh2(CO) 4Cl2 分别与两种膦配体 4-正丁苯基二苯基膦(1)和 4-正辛苯基二苯基膦(2)形 成的原位催化剂体系对烯烃氢甲酰化反应的催化性能。对影响反应的各种因素, 如 P/ Rh 物质的量比、反应温度、

7、反应压力，不同烯烃等的影响作了探讨。结 果表明，配体 1、2 与 Rh2 ( CO) 4Cl2 形成的原位催化剂体系的催化活性与选择 性均高于结构相似的 PPh3， 在相同的条件下, 不同烯烃的氢甲酰化反应活性依 直链烯烃 苯乙烯 直链内烯 环己烯的顺序递增。1中国药科大学药学院陈敏东、唐锋以甘露醇为原料合成了两个新的手性膦 配体, 并用这些新的手性膦配体和醋酸钯原位生成的催化剂体系催化苯乙烯的 不对称氢甲酰化反应，当配体为手性膦氧配体(DDPPIO) 时得到 S 构型的 2-苯基 丙醛的 e. e. 为 21.19%。用手性膦硫配体( DDPPIS) 作配体时得到 S 构型的 2-苯 基丙醛

8、的 e. e. 11.12%。2中国科学院兰州化学物理研究所寇元、殷元骐研究得到了崁烯的氢甲酰化( 100，10Mpa，CO +H2) 因铑-膦络合物中膦配休的不同而给出完全不同的产物。圆锥角较大的膦配体倾向于给出更多的 exo-产物。双齿膦配体圆锥角虽较小, 但因生成双膦桥联的铑络合物而使加氢能力下降, 所以只得到较低转化率的 enod-崁基醛。32.1.2. 不饱和羧酸酯的氢甲酰化反应方面中科院兰州化物所羰基合成和选择氧化国家重点实验室周宏英、吕士杰等研究了由钴-四膦配体组成的催化剂体系对丙烯酸甲酯氢甲酰化反应的催化作用。 对反应温度、反应压力、不同 P / Co 比，不同结构的烯烃等的影

9、响作了探讨, 并与不同膦配体体系催化丙烯酸甲酯氢甲酰化的结果作对比, 发现这些膦配位 体催化活性有如下顺序: C (CH2PPh2)Ph2P (CH2)3PPh2Ph2P (CH2) 2PP h2Ph2P (CH2)PP h2Ph2P (CH2)4PPh2。43.苄基氯的催化羰基化反应方面苄基氯的催化羰基化反应方面过渡金属配合物催化的羰化反应是开展绿色化学“原子经济”型反应中最 有前途的一类催化反应，但过渡金属催化剂的分离回收和重复使用是这类反应 工业化应用的最大障碍。目前，解决该难题主要采取两种方法，一是均相络合 催化剂的多相化，将均相催化剂负载到二氧化硅、氧化铝、活性炭、树脂或聚 合物等载

10、体上；另一种方法是使用水溶性配体采取两相催化过程，反应结束后 催化剂与含有产物的有机相自动分居两相而达到分离的目的。为了避免两相催 化中的传质效应对反应速度的影响，有报道使用含氮两亲催化剂，反应在均相 中进行，反应完成后，根据含氮两亲催化剂在不同 pH 水溶液中溶解度的不同， 可将催化剂和过量的膦配体从有机相萃取到水相而与有机产物分离。但目前所 报道的该类膦配体的合成条件较苛刻，如使用特殊试剂 NaPPh2 ，绝对无水以及 低温( - 78 ) 环境条件等。4.Heck 反应方面反应方面钯催化的卤代芳烃与烯烃之间的 Heck 偶联反应被广泛用作药物、天然产物 及新型光电材料等研制中的关键反应；

11、开发高效(TON10000, 反应条件温和)、 高活性(可利用未活化的氯代芳烃为原料)、价廉(涉及配体及助剂的价格)的钯催 化剂是近些年来乃至当今金属有机化学和络合催化研究领域的重要目标之一。 富电子和有大空间要求的膦及 N-杂环卡宾这 2 种支持配体(Supporting ligand)在 Heck 反应中的应用推动了高效、高活性 Heck 反应钯催化剂的研制； 同时， 无支持配体(Ligandless)“Jeffery 条件”的发现以及纳米 Pd 颗粒的应用，为省去 配体的费用提供了可能。近来 Hartwig 等对 Heck 反应机理研究发现(1)无支持 配体的ArPdBr2 22- 物种

12、可高效催化 Heck 反应，其可能是“Jeffery 条件”催化 体系中的实际催化剂； (2)带有很大立体要求的膦配体，如 t-Bu3P，在 Heck 反 应中会离去形成无支持配体的 ArPdBr2 22 物种；(3)无支持配体的 ArPdBr2 22 物种在催化选择性方面低于有支持配体的钯催化体系。这些研究成果提示 了 Heck 催化反应的复杂性，也为设计、研制更高性能的催化剂提供了一定依 据，同时也表明立体要求过大的膦配体拉长了 PdP 键，导致键能降低到易于 离去的地步， 减低了作为支持配体的作用。在以碳水化合物为原料合成手性膦及 N-杂环卡宾的研究中，福建师范大学 化学与材料学院郑军,

13、周中高等成功地通过环氧物的开环反应高产率地将 Ph2P 引入到立体位阻较大的糖环的二级碳原子上(Eq-2)， 制得甲基-3-脱氧-3-二苯膦 基-4,6-氧-苯次甲基-D-吡喃阿卓糖苷(3-MBPA), 合成表征了一些其配位的过渡 金属配合物，包括 trans-PdCl2(3-MBPA)2。5海南大学材料与化工学院谭学梅、王寅等采用硝酸对活性炭进行氧化，增 加活性炭上羧基的含量，再与乙二胺反应，在活性炭上引入氨基，然后与氯代 二苯基膦反应，将膦配体引入活性炭上，并以此为载体制得活性炭固载的膦钯 化合物。采用傅里叶变换红外( FTIR) 光谱、X 射线光电子能谱( XPS) 和透射电 镜( TE

14、M) 手段对其进行表征，并研究了该催化剂对 Heck 反应的催化性能。实 验结果表明，催化剂中钯通过配位键固定在载体上，在载体表面均匀分布，该 催化剂对碘代芳烃和烯烃的 Heck 反应具有较高的催化活性，并具有良好的循 环使用性能。65.Suzuki 偶联反应方面偶联反应方面Suzuki 偶联反应是用以形成碳-碳键的重要工具。和其它过渡金属催化下的 芳烃偶联反应相比，Suzuki 反应具有明显的优势：温和的反应条件；对多种官 能团的可容忍性；化学选择性及立体选择性很高；在水中即可进行该反应，环 境友好；有机硼试剂较有机锌试剂、格氏试剂、锡试剂相对温和，对空气稳定， 且已商业化，此外含硼副产物无

15、毒（对环境危害较小） ，易于除去。因此， Suzuki 偶联反应被广泛用于化学和制药业，而且其应用逐年增加。钯催化的 Suzuki 反应取得了令人瞩目的成果，如经典钯催化剂 Pd(PPh3)4，通常使用膦配 体来稳定活性的钯中间体，尤其是当空间体积庞大的单膦、二膦、二茂铁衍生 物膦用作配体时钯催化剂的 Suzuki 反应结果更加优异。虽然 Suzuki 偶联反应取得了长足的进步，大量新型的配体不断涌现，但目 前应用较广、较成熟的仍然是膦配体，例如富电子的三烷基膦配体和钯催化剂 可催化钝化的氯代芳烃的 Suzuki 反应。5.1.1. 芳基膦配体早期多数催化剂应用三苯基膦作为配体，直到 90 年

16、代中期，虽然三(甲基苯)膦 配体作为配体能得到较好的结果，但 Suzuki 偶联反应较多的应用 Pd(PPh3)4 催 化剂。90 年代后期，Buchwald 报道了一类很重要的以联苯为骨架的单膦配体结构， 此类配体具有耐氧化性，在空气中可稳定存在，有广泛的商业化应用。这类配 体结合一个钯，形成有效的催化剂催化 Suzuki 偶联反应。2010 年 Gholinejad 报道了 2-氨基苯二苯基膦(L-11)作为 Suzuki-Miyaura 反应 多相钯催化剂配体，水为溶剂，没有加入任何有机溶剂的反应。通过 2-氨基苯 二苯基膦作为配体，Pd(OAc)2 为主催化剂，结构不同的卤代芳烃(I, Br, Cl)与苯硼 酸在水中反应可取得较高收率。优点：其配体简单易得，可回收再利用七次， 无明显丧失其催化活性。75.1.2. 庞大的膦配体5.1.3. 单齿膦配体2000 年，Beller 等报道了大位阻的单齿膦配体二金刚烷基-正丁基膦配体 L- 15 催化氯代芳烃的 Suzuki 偶联反应。后来，B