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偶联反应

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偶联反应，也写作耦合反应、偶合反应或耦联反应，是两化学实体（或单位）结合生成一分子的有机化学反应。狭义的偶联反应是涉及有机金属催化剂的碳－碳键形成反应，根据类型的不同，又可分为交叉偶联和自身偶联反应。在偶联反应中有一类重要的反应，RM（R＝有机片段；M＝主基团中心）与R'X的有机卤素化合物反应，形成有新碳－碳键的产物R－R'[1][2]。

根岸英一、铃木章与理查德·赫克开发钯催化偶联反应，贡献突出，共同获授2010年度诺贝尔化学奖[3][4]。

偶联反应大体可分为两种类型：

  • 交叉偶联反应：两种不同片段连接成一分子，如溴苯（PhBr）与乙烯形成苯乙烯(PhCH=CH2)。
  • 自身偶联反应：相同的两片段形成一分子，如碘苯（PhI)自身形成联苯（Ph－Ph)。

机理

偶联机理通常起始于有机卤代烃和催化剂氧化加成；第二步是另一分子与其转移金属化，将待偶联的两分子接于同一金属中心；最后一步是还原消除，待偶联的两分子结合在一起形成新分子并再生催化剂。不饱和的有机基团在加合一步速度更快，通常易于偶联。中间体通常不倾向β-氢消除。[5]

一项计算化学研究中表明，不饱和有机基团更易于在金属中心偶联。[6]还原消除的速率高低如下：

乙烯基－乙烯基＞苯基－苯基＞炔基－炔基＞烷基－烷基

不对称的R－R′形式偶联反应，其活化能垒与反应能量与相应的对称偶联反应R－R与R′－R′的平均值相近，如：乙烯基－乙烯基＞乙烯基－烷基＞烷基－烷基。

另一种假说认为，水溶液偶联反应其实是通过自由基机理，而不是金属－参与机理。[7]

催化剂

偶联反应最常用的金属催化剂是钯催化剂，有时也用镍与铜。四（三苯基膦）钯是常用的钯催化剂。钯催化的有机反应有许多优点，如：官能团的耐受性强，有机钯化合物对水和空气甚稳定。

如下一些关于钴催化的偶联反应的综述[8]，钯[9][10][11][12][13]和镍[14]介导的反应以及它们的用途[15][16]。

离去基团

离去基团在有机偶联反应常为溴、碘或三氟甲磺酰基。有机氯化物相对这些离去基团更廉价易得，故氯是较理想的离去基团。与之反应的有机金属化合物还有锡、锌或硼。

操作条件

虽然大多偶联反应涉及的试剂都对水和空气极其敏感，但不可认为所有有机偶联反应需要绝对的无水无氧条件。有些有机钯介导的反应就可在水溶液中，用三苯基膦和硫酸制备的磺化膦试剂反应。[7]总体来讲，大多这类反应都藉不饱和金属络合物反应，而这些络合物都不满足18共价电子的稳定结构，故空气中的氧气能影响偶联反应。

类型

常见偶联反应有：

反应名称 发现年代 反应物A 反应物B 类型 催化剂 备注
武兹反应（Wurtz reaction） 1855 R－X sp³ R－X sp³ 自身 以钠消除反应物的卤原子
格拉泽偶联反应（Glaser coupling） 1869 RC≡CH sp RC≡CH sp 自身 Cu 氧气作H受体
乌尔曼反应（Ullmann reaction） 1901 Ar－X sp² Ar－X sp² 自身 Cu 高温
冈伯格－巴克曼反应 1924 Ar－H sp² Ar－N2X sp² 自身 需碱参与
Cadiot－Chodkiewicz偶联反应 1957 RC≡CH sp RC≡CX sp 交叉 Cu 需碱参与
Castro－Stephens偶联反应 1963 RC≡CH sp Ar－X sp² 交叉 Cu
吉尔曼试剂偶联反应（Gilman reagent coupling） 1967 R2CuLi R－X 交叉
Cassar反应 1970 烯烃 sp² R－X sp³ 交叉 Pd 需碱参与
熊田偶联反应（Kumada coupling） 1972 Ar－MgBr sp²／sp³ Ar－X sp² 交叉 Pd或Ni
赫克反应（Heck reaction） 1972 烯烃 sp² R－X sp² 交叉 Pd 需碱参与
薗头偶联反应（Sonogashira coupling） 1975 RC≡CH sp R－X sp³／sp² 交叉 Pd和Cu 需碱参与
根岸偶联反应（Negishi coupling） 1977 R－Zn－X sp³／sp²／sp R－X sp³／sp² 交叉 Pd或Ni
施蒂勒反应（Stille coupling） 1978 R－SnR3 sp³／sp²／sp R－X sp³／sp² 交叉 Pd
铃木反应（Suzuki reaction） 1979 R－B(OR)2 sp² R－X sp³／sp² 交叉 Pd 需碱参与
Hiyama偶联反应 1988 R－SiR3 sp² R－X sp³／sp² 交叉 Pd 需碱参与
Buchwald–Hartwig偶联反应 1994 R2N－R SnR3 sp R－X sp² 交叉 Pd N－C偶联反应
福山偶联反应（Fukuyama coupling） 1998 RCO(SEt) sp2 R－Zn－I sp3 交叉 Pd
偶联反应一览. 参考文献见子页面

杂项反应

一种基于芳基卤代烃和全氟代苯的钯－催化偶联反应由基思·法纽（Keith Fagnou）和其同事所报道。对于这种缺电子的芳环来讲，这类官能团化反应很不寻常。[17]

Fluoroarene coupling
Fluoroarene coupling

应用

许多偶联反应已经广泛的应用于制药工业[18]和相关的工业原料[19]。

参见

参考资料

  1. ^ Organic Synthesis using Transition Metals Rod Bates ISBN 978-1-84127-107-1
  2. ^ New Trends in Cross-Coupling: Theory and Applications Thomas Colacot (Editor) 2014 ISBN 978-1-84973-896-5
  3. ^ The Nobel Prize in Chemistry 2010 - Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki. NobelPrize.org. 2010-10-06 [2010-10-06]. （原始内容存档于2012-10-26）. 
  4. ^ Palladium-Catalyzed Cross-Coupling: A Historical Contextual Perspective to the 2010 Nobel Prize Dr. Carin C. C. Johansson Seechurn, Dr. Matthew O. Kitching, Dr. Thomas J. Colacot, Prof. Victor Snieckus Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5062-5085. doi:10.1002/anie.201107017
  5. ^ Hartwig, J. F. Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis; University Science Books: New York, 2010. ISBN 189138953X
  6. ^ V. P. Ananikov, D. G. Musaev, K. Morokuma, “Theoretical Insight into the C-C Coupling Reactions of the Vinyl, Phenyl, Ethynyl, and Methyl Complexes of Palladium and Platinum” Organometallics 2005, 24, 715. doi:10.1021/om0490841
  7. ^ 7.0 7.1 Benny Bogoslavsky, Ophir Levy, Anna Kotlyar, Miri Salem, Faina Gelman and Avi Bino. Do Carbyne Radicals Really Exist in Aqueous Solution?. Angewandte Chemie International Edition. 2012, 51 (1): 90–94. PMID 22031005. doi:10.1002/anie.201103652. 
  8. ^ Cobalt-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Grard Cahiez and Alban Moyeux Chem. Rev., 2010, 110 (3), pp 1435–1462 Publication Date (Web): February 11, 2010 (Review) doi:10.1021/cr9000786
  9. ^ Carbon−Carbon Coupling Reactions Catalyzed by Heterogeneous Palladium Catalysts Lunxiang Yin and Jürgen Liebscher Chem. Rev., 2007, 107 (1), pp 133–173 Publication Date (Web): December 21, 2006 (Article) doi:10.1021/cr0505674
  10. ^ Advances in Transition Metal (Pd,Ni,Fe)-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Using Alkyl-organometallics as Reaction Partners Ranjan Jana, Tejas P. Pathak, and Matthew S. Sigman Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 1417–1492 doi: 10.1021/cr100327p
  11. ^ Efficient, Selective, and Recyclable Palladium Catalysts in Carbon−Carbon Coupling Reactions rpd Molnr Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 2251–2320 doi:10.1021/cr100355b
  12. ^ Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organoboron Compounds Norio. Miyaura, Akira. Suzuki Chem. Rev., 1995, 95 (7), pp 2457–2483 doi:10.1021/cr00039a007
  13. ^ Diazonium Salts as Substrates in Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Anna Roglans, Anna Pla-Quintana, and Marcial Moreno-Mañas Chem. Rev., 2006, 106 (11), pp 4622–4643 doi:10.1021/cr0509861
  14. ^ Nickel-Catalyzed Cross-Couplings Involving Carbon−Oxygen Bonds Brad M. Rosen, Kyle W. Quasdorf, Daniella A. Wilson, Na Zhang, Ana-Maria Resmerita, Neil K. Garg, and Virgil Percec Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 1346–1416 doi:10.1021/cr100259t
  15. ^ Selected Patented Cross-Coupling Reaction Technologies Jean-Pierre Corbet and Gérard Mignani Chem. Rev., 2006, 106 (7), pp 2651–2710 2006 (Article) doi:10.1021/cr0505268
  16. ^ Copper-Mediated Coupling Reactions and Their Applications in Natural Products and Designed Biomolecules Synthesis Gwilherm Evano, Nicolas Blanchard and Mathieu Toumi Chem. Rev., 2008, 108 (8), pp 3054–3131 doi:10.1021/cr8002505
  17. ^ M. Lafrance, C. N. Rowley, T. K. Woo and K. Fagnou. Catalytic Intermolecular Direct Arylation of Perfluorobenzenes. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (27): 8754–8756. PMID 16819868. doi:10.1021/ja062509l. 
  18. ^ R.H. Crabtree, The Organometallic Chemistry of the Transition Metals 4th Ed.
  19. ^ Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis John Hartwig
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