根岸交叉耦合反应

浏览量:870 点赞:296 收藏:136 2020-07-18

背景介绍

根岸交叉耦合反应

图一、根岸教授贤伉俪合影。(来源:参考资料 1)

本反应是由根岸英一(Ei-ichi Negishi,图一)1 教授于 1976 年发表。根岸教授生涯致力于有机金属的研究,因成功针对使用镍或钯催化的有机卤烃 (organic halide) 交叉耦合反应进行改善,于 2010 年与铃木章 (Suzuki Akira)、理察.赫克 (Richard Heck) 三人共同获颁诺贝尔化学奖。此外,根岸教授所发表的研究成果亦有许多已成功应用在工业合成,本文将要介绍的反应也是其中之一。3,4

有机化合物中最重要的部分非属碳—碳键结莫属,因此有机化学家皆致力于研究 C–C 键结方法的开发。1972 年熊田诚 (Makoto Kumada) 教授及其研究团队率先发表利用镍或钯催化格里纳试剂 (Grinard reagent) 与有机卤烃进行交叉耦合反应3(即熊田交叉耦合反应,Kumada cross-coupling,图二)。

根岸交叉耦合反应

图二、熊田交叉耦合反应之反应式。(来源:作者绘製)

虽然此反应可形成有机化合物中最重要的 C–C 键结,可惜锂或镁的金属性太强导致于反应物的官能基选择受限,于是此反应的改良便成为当代的研究重点之一,寻找一种金属性较锂或镁金属弱的有机金属试剂,藉此提高反应物官能基对所选用的有机金属试剂容忍度便成为重要的目标。1976 年,根岸教授及其团队发表了首篇利用有机铝试剂 (organoaluminums) 与有机卤烃在镍或钯的催化下进行交叉耦合反应4,如图三所示。

根岸交叉耦合反应

图三、1976 年根岸教授发表利用有机铝试剂及钯或镍金属催化进行耦合反应。(来源:作者绘製)

根岸交叉耦合反应3 最重要的地方不仅在其大大地拓展了反应物官能基的选择度,更在于它相当地具有立体专一性 (stereospecificity)。事实上,根岸教授最初提出时是使用有机铝试剂来与有机卤烃进行交叉耦合,然而有机铝试剂虽然能够提升官能基的选用範围,但使用镍做为催化剂时,可看到有机铝试剂的自耦合 (homocoupled) 产物生成,无法达到理想的立体专一性。因此进一步的改良后发现,使用有机锌试剂 (organoznic reagents) 的话,镍和钯皆能进行催化,但钯试剂无论在反应速率、产率、立体选择性甚至是反应物官能基的多变性表现上,皆较镍试剂优秀,如图四所示。

根岸交叉耦合反应

图四、改良后的根岸交叉耦合反应之反应式。(来源:作者绘製)

镍试剂催化的反应机构

根岸交叉耦合反应

图五、根岸交叉耦合反应使用镍试剂催化时的反应机制。(来源:作者绘製)

首先,有机镍试剂会先与有机锌试剂进行金属转移 (transmetallation),接着有机卤烃会参与进来并进行氧化加成 (oxidative addition) 后得到的中间体 III-1;再来此中间体会和有机锌试剂再进行金属转移后得到中间体 III-2 并与有机卤烃进行配位后得到配位错合物 III-3,最后再进行还原除去 (reductive elimination) 可得到我们所预期进行交叉耦合反应后的产物 R’–R (III-4)

钯试剂催化的反应机构

根岸交叉耦合反应

图六、根岸交叉耦合反应使用钯试剂催化时的反应机制。(来源:作者绘製)

与镍催化相似,首先钯试剂 IV-1 先与有机卤烃进行氧化加成形成错合物 IV-2;接着与有机锌试剂进行金属转移后形成中间体 IV-3,最后经过还原除去的步骤即可得到进行交叉耦合反应后的产物 R’–R (IV-4)。

实际应用

1998 年 Williams 教授及其研究团队发表于期刊 J. Am. Chem. Soc.:如何合成巨环分子 (+)-Amphidinolide J。5 我们从图五中可以发现该巨环分子中具有一个关键的反式双键(7 号碳及 8 号碳的位置),而作者便是利用根岸交叉耦合反应所具备的良好立体专一性进行该双键的合成。首先,作者先在反应瓶中进行所需的有机锌试剂製备;接着在钯试剂的催化下与一个具有反式双键的卤烯分子进行根岸交叉耦合反应便可得到具有反式双键的耦合产物。最后再进行后续的合成步骤即可得到作者所预期的巨环分子 (+)-Amphidinolide J。

根岸交叉耦合反应

图七、根岸交叉耦合反应于 (+)-Amphidinolide J 的合成应用。(来源:作者绘製)

结论

根岸交叉耦合反应有以下几个特点:


参考文献

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