本论文研究了钯催化的偶联反应,研究重点在于反应的机理。通过对机理的讨论,我们开发了一个新的催化体系,揭示了一个异常反应的真实机理,改进了一个有用的合成方法。主要工作内容包括:1.实现了sp~3碳卤键的活化。在与过渡金属进行反应时,sp~3碳卤键的活性比sp~2碳卤键低,难以发生氧化加成。为了解决这个问题,我们合成了一系列的亚膦酰胺类配体,将其应用于钯催化的sp~3碳卤键化合物的Suzuki偶联反应,高效率地实现了溴乙酸乙酯和各类芳基硼酸的交叉偶联。通过对反应条件的优化,发现碱、溶剂、配体结构以及钯源对反应的结果都有很大影响,尤其重要的是水作为共溶剂能够大大提高产率和选择性。我们通过反应机理中的C-Pd配位和O-Pd配位的平衡来进行了解释,水的存在抑制了硼酸的自身偶联途径,有利于溴乙酸乙酯和硼酸的交叉偶联反应。2.研究了“无碱、无氧化剂”条件下钯催化的类Heck反应的机理,对反应过程中的钯循环做了合理解释。我们通过实验证明反应方程式中硼酸和烯烃的比例是1:2,这意味着每生成一当量的Heck反应产物,需要消耗两倍当量的烯烃。在这个反应中,烯烃底物担当了“氢受体”的角色,起到了氧化剂的作用,因此并不是严格意义上的“无氧化剂”。对于缺电子的烯烃,与常规的类Heck反应机理不同,在产生Pd-H物种后,另一分子的缺电子烯烃插入Pd-H键,然后通过直接质子解、烯醇异构O-Pd化或者丙酮插入的途径再生活性钯物种。催化量的三氟乙酸的对于这些过程非常关键。对于富电子的乙烯基醚,催化剂的再生是通过Pd-H物种和乙烯基醚发生插入反应,随后通过β-烷氧基消除实现的。研究发现反应过程中产生气体,实验表明该气体是乙烯,乙烯的存在证明富电子的烯烃和硼酸的反应是通过β-烷氧基消除来进行的。3.开发了Lewis酸促进的锌试剂和醛的烯基化反应。通过对一系列过渡金属催化的锌试剂和醛生成烯烃的反应进行深入研究,我们发现过渡金属在机理中并无作用,真正推动烯基化反应的是体系中的Lewis酸。进一步的实验表明AlCl3是一个很好的烯基化试剂,可以使取代的芳香醛、肉桂醛、苯乙酮和苄基锌试剂以及烷基锌试剂反应,较高选择性地得到(E)-烯烃。在AlCl3存在下,还可以使二苯乙醇、二苯乙醇硅醚、β-羟基酯、苄醇以及苄氯等实现苄位的烯基化,得到苯乙烯衍生物。
