朱麗萍，左治鈞，秦瑩穎

(西北大學 化學與材料科學學院/合成與天然功能分子化學教育部重點實驗室，陜西 西安710069)

Pd催化下的C－C鍵交叉偶聯(lián)反應是一類極其重要且應用很廣的有機催化反應，它是從易得的原料合成復雜天然產(chǎn)物的必要方法［1］。其核心內(nèi)容是 Suzuki偶聯(lián)反應［2］，即通過Pd的金屬催化，將鹵代芳香烴與有機硼試劑作用，成功實現(xiàn)C(aryl)－C(aryl)鍵的偶聯(lián)(見圖1)。

圖1 C(Aryl)－C(Aryl)鍵的偶聯(lián)

近年來，鈀催化的交叉偶聯(lián)反應已廣泛應用于制藥、電子工業(yè)和先進材料等領域。例如借助Suzuki反應，科學家們?nèi)斯ず铣闪怂６舅剡@個巨型分子［3］。在2010年，科學家們又將Suzuki和Negishi的偶聯(lián)反應聯(lián)合應用，合成了聚酮類天然產(chǎn)物似蛇霉素。

目前對于Suzuki反應機理尚存在爭論，其中近年來提出的鈀催化循環(huán)機理是最被廣為接受的，但其中堿的加入作用仍不明確。在其配體合成方面，雜環(huán)配體的發(fā)現(xiàn)使得催化效率大大提高。

1 SUZUKI反應機理

雖然Suzuki交叉偶聯(lián)反應已被廣泛使用，但因其反應很難從單純的化學實驗中得出，且反應過程中伴隨著大量的中間體和化學平衡，使得對其機理的探索仍主要依賴于大量的反復試錯實驗。隨著計算機技術應用以及計算化學飛速發(fā)展，針對Suzuki反應，多種假設機理被提出。其中最被廣泛接受的是催化循環(huán)機理［4］(見圖2):

該反應通常會經(jīng)歷三個過程:氧化加成、芳基陰離子 向金屬中心遷移和還原消除。首先，鹵代芳烴R1－X與Pd(0)發(fā)生氧化加成，得到R1PdX中間體。之后，該中間體與一分子堿作用，得到中間體R1PdOH。同時，另一分子的堿與硼酸作用生成硼酸鹽，使得芳基具有更強的富電性，有利于芳基向R1PdOH中間體的金屬原子遷移，從而得到配合物中間體R1PdR2。該中間體再經(jīng)過還原消除，得到芳基偶聯(lián)產(chǎn)物R1－R2和零價鈀，完成整個循環(huán)過程。

圖2 Suzuki反應假設機理圖

起初，堿在 Suzuki反應中的作用尚不明確。2005年，Braga，A.等人證實了堿的缺乏會造成Suzuki反應無法順利進行［5］。發(fā)現(xiàn)若不在反應中添加堿，反應位壘將高達44kcal.mol－1。針對堿在 Suzuki反應中具體的作用，Braga.A.等人提出了兩種主要的假設:一種是堿先進攻硼酸R2－B(OH)2，生成硼酸鹽R2－B－(OH)3;另一種是堿進攻R1PdX中間體，使得X－基團離開，生成R1－PdOH(見圖3)。

圖3 Suzuki反應中堿的反應機理

針對這兩種假設，Braga.A.等人又設計了相關實驗來證實，即使用［Pd(CH2=CH－)(Br)(Ph3)2］，CH2=CH－B(OH)2和OH_作為反應物來進行偶聯(lián)。對于第一種假設，其過渡態(tài)［Pd(CH2=CH)2(Ph3)2］，B(OH)3和游離的 Br－被觀測到，其計算得出的能量差在224kcal.mol－1左右，很好的解釋了堿在反應中的作用。而第二種假設無法定位到中間體R1－PdOH，因此得出結論，堿的作用是使硼酸變?yōu)榕鹚猁}，從而推動了催化循環(huán)。

但在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，當配體是PPh3或?qū)⒁蚁┗鶕Q為苯基時［6］，假設1的合理性遭到了質(zhì)疑，在這些情況下，假設2被認為是更加合適的解釋。目前認為這兩種假設的機理存在競爭關系，其機理仍需進一步的研究。

2 SUZUKI反應配體

因P是很好的給電子體，所以Suzuki反應常用的催化劑是含膦的絡合物，如Pd(PPh3)4。催化劑(前體)Pd(PPh3)4在進入催化循環(huán)前還需進行兩次連續(xù)的配體解離，從而變成含14個電子的催化絡合物Pd0(PPh3)2。這種絡合物，由于其價位和配位數(shù)低，往往很不穩(wěn)定，且生成時存在較大的能量壁壘，使其形成不易。于是人們希望設計出一種“聰明的催化劑”，它們在進入催化循環(huán)時，不需克服巨大的能量壁壘，化學性質(zhì)穩(wěn)定，同時仍具有高的催化活性。

近年來，越來越多雜環(huán)配體［7］和其他的一些低價位金屬的使用，很好的解決了這一問題。雜環(huán)配體的價位和配位數(shù)可變，使其可以靈活地調(diào)節(jié)變化，從而滿足催化循環(huán)中各個不同的階段。更為值得肯定的是，這種配體不僅維持了催化的高效率，它還保護了催化中間體。

2.1 無膦配體

早期的無膦催化劑，如［N，N］－二茂鐵配體［8］，其富含電子，與傳統(tǒng)的有機膦配體相似，是一種很好的σ－電子供體，但［N，N］－二茂鐵配體給電子能力強，可與過渡金屬形成穩(wěn)定性更高的化合物。這些配合物在空氣和水中穩(wěn)定性好，表現(xiàn)出更優(yōu)越的催化性能。其它的一些相關研究也隨之出現(xiàn)，如N－卡賓配體、咪唑、鈀粉、N配位的鈀體系、無金屬體系、無配位體體系。

配體Fe(η－C5H4N=CHPh)2(1)在室溫下易與PdCl2(MeCN)2生成穩(wěn)定的螯合物PdCl2Fe(η－C5H4N=CHPh)2(2)［9］(圖 4)。該螯合物 PdCl2Fe(η－C5H4N=CHPh)2在芳香碘代物和芳香溴代物與芳香硼試劑的Suzuki偶聯(lián)反應中，易于從水相中分離，且分離后仍可重復使用4－5次左右。

圖4 無膦配體Fe(η－C5H4N=CHPh)2

2.2 N雜環(huán)卡賓配體(NHCs)

1991年，Arduengo研究小組分離出首個穩(wěn)定的游離態(tài)N－雜環(huán)卡賓(NHCs)［10］。NHCs一般以單線態(tài)形式存在，C原子采用sp2雜化形式，卡賓C原子周圍只有六個電子，是一個缺電子體系。從誘導效應考慮，兩個電負性較大的氮原子與卡賓碳相連，氮原子的吸電子作用使卡賓碳原子上的孤對電子趨于穩(wěn)定。從共軛效應考慮，兩個氮原子p軌道上的孤對電子和卡賓碳原子上的空p軌道發(fā)生給電子共軛效應，從而降低了卡賓碳原子的缺電子性。

獨特的電子結構特征使得它幾乎能夠與周期表中的所有元素進行反應。作為一類過渡金屬配體，NHCs的化學穩(wěn)定性和配位多樣性是其迅速發(fā)展的最主要的兩個原因。鑒于NHCs的多樣性及 NHC—M鍵的特殊穩(wěn)定性，以多NHC為配體可以制備得到許多具有獨特結構的NHC金屬配合物，從而產(chǎn)生新的性質(zhì)。咪唑鹽與強堿作用脫質(zhì)子后與金屬離子反應，或咪唑鹽與金屬氧化物直接反應是制備NHC金屬配合物的最常用和有效的方法［11］。

2.3 P，O 與 P，N 雜環(huán)配體

目前卡賓配體在Suzuki偶聯(lián)反應中使用的越來越廣泛。這些配體具有強的給電子能力，且能生成穩(wěn)定的催化劑，但在配位靈活性上仍存在不足。

Buchwald等人于是合成了 P，O與 P，N的雜環(huán)配體(5)［12］。這種鈀復合物的新配體，它有效地催化了芳香硼酸化合物和芳香鹵代物。Milstein等人則使用了多電子，大位阻的芐基膦配體(6)去穩(wěn)定不飽和的 Pd(0)、Pd(I)、Pd(II)。其苯環(huán)上所連的兩個對稱臨近的甲基基團，則體現(xiàn)了這類配體它的半不穩(wěn)效應［13］。其它在Suzuki反應中所使用的P－O和P－N類雜環(huán)配體還有(7)、(8)、(9)、(10)等化合物(見圖5)。

圖5 P，O與P，N的雜環(huán)配體

3 結語

Suzuki偶聯(lián)反應具有很多優(yōu)點:其反應底物易得，反應條件溫和，在水和空氣條件下穩(wěn)定，可允許多種活性官能團的存在，副產(chǎn)物毒性小且后處理容易，是實現(xiàn)C(aryl)－C(aryl)鍵偶聯(lián)的理想方法。

對于鈀的催化反應，它們的應用相對還十分有限，因而還需要進一步的發(fā)展來擴大偶聯(lián)反應在工業(yè)上的應用。

在未來的發(fā)展上，將有以下幾個方面仍需探究::(1)尋找更好的催化劑來實現(xiàn)偶聯(lián)反應的綠色性和原子經(jīng)濟性;(2)如何獲得更多可以應用鈀催化的偶聯(lián)反應的鹵代烴和烯烴;(3)將C－C鍵偶聯(lián)反應的概念應用于更多的其他原子間的偶聯(lián)。

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