过渡金属催化吡啶碳氢键活化反应.doc

文献综述

题目： 过渡金属催化吡啶碳氢键活化反应
姓名： 施嘉玲
学号： 201202121008
专业： 有机化学

二零一二年十二月一日

过渡金属催化吡啶碳氢键活化反应

摘要 吡啶是药物和天然产物的重要骨架, 是医药化工的重要的中间体。吡啶衍生物可以作为配体，来催化有机反应。本篇综述详细介绍了过渡金属催化吡啶C—H键活化反应以及反应机理。

关键词 过渡金属 ；催化；吡啶；C—H键活化

作为自然界最基本、最普遍的惰性化学键和结构单元，C-H键广泛存在于各种有机化合物当中。而通过直接活化和诱导C-H键形成新的官能团(特别是新的C-C键)无疑是一条极具吸引力的反应策略。早在上世纪初，人们就发现通过一些特定的方法可以对一些惰性C-H键进行直接的官能团化。但如何在活化过程中对各类形形色色的C-H键进行识别和区分，并有目的性的对特定的位置进行定向官能团衍生，一直是有机合成领域的研究难点。随着过渡金属化学的迅猛发展，一系列新反应、新试剂陆续被发现和合成，并在有机合成中得到了广泛的应用。而过渡金属在C-H活化领域的应用，使得对一些C-H键定向的活化和官能团化成为可能。相关的研究近10年来已取得了令人瞩目的成绩，特别是钌、铑、钯、铱等传统过渡金属催化的一些具有高化学选择性的C-H活化反应已经逐渐发展成熟，并且在有机合成中得到了越来越多的应用。
含氮杂环化合物广泛存在于自然界内， 在所有含氮六元杂环化合物中， 尤其以吡啶类化合物最引人关注 吡啶及其衍生物被广泛用作有机合成试剂或作为医药 农药 表面活性剂 橡胶助剂 饲料和食品添加剂 合成材料 香料 黏接剂和染料等产品生产的重要基础原料或中间体 [1-3]。
本文较为全面地综述了自1985年以来该领域的发展状况，介绍了过渡金属钯、铑、钌、镍等催化下吡啶上发生的碳氢键活化反应以及反应机理。

正文
1985年美国的Laine等[4]报道了Ru3(CO)12 和Os3(CO)12脱去CO后能与吡啶生成金属络合物，在该金属络合物中，吡啶2位的碳与金属成键(Eq. 1)。我们知道吡啶是药物分子的重要骨架，也是具有重要生理活性分子的骨架。这报道的吡啶2位上的C—H键被过渡金属络合物活化的例子，为人工合成天然产物分子具有重要意义。

1989年美国的Jordan等[5]报道了锆催化2-甲基吡啶与丙烯的偶联反应(Eq. 2)。

其反应机理如下图，图中1加氢生成2, 2与2-甲基吡啶发生配体交换生成产物和3，3脱氢生成4，4与丙烯反应生成1，完成了催化循环。

2000年以色列的 Sasson 等[6]报道了卤代芳烃和吡啶在锌作用下在钯催化下可发生还原交叉偶联反应生成2-苯基吡啶(Eq. 3)。
（3）
2003 年，Varela 和 Saá 综述了利用[2+2+2]环加成反应构建吡啶衍生物的方法， 涉及 Co、Rh、Fe 、Ru、Ti 、Ta 以及 Zr /Ni 和 Zr /Cu 等金属催化体系[7]，并随后对 Co、 Rh 、Ru 和 Ni 催化体系的研究情况作了补充[8]。
2006 年，Chopade 和 Louie 对[2+2+2]环加成反应合成苯吡啶和吡啶酮衍生物的研究进展进行了综述，其中用于吡啶类衍生物合成的金属催化体系主要集中在Co、Rh、Ni和Ru[9]上。
2007 年，Heller和Hapke在前人的基础上又重点讨论了环加成反应在手性吡啶类化合物的合成应用[10]。
下图为过渡金属催化［2 + 2 + 2］环加成反应合成吡啶衍生物的一般机理[10、12、13]。

2007年美国的Ellman和Bergman等[14]报道了[RhCl(coe)2]2催化的吡啶2位上的直链烷基化，产率50%～83% (Eq. 4)。
(4)

2008 年Nakao和Hiyama等[15]报道了Ni(cod)2 和LA 催化的吡啶对炔烃的加成反应，高度区域选择性和立体选择性地生成反式 2-烯基吡啶, 30%～91%产率(Eq.5)。
（5）
该反应机理是:镍（0）与炔烃配位形成A，A与吡啶的2位 C—H键氧化加成生成吡啶氢化镍 B，吡啶氢化镍B对炔烃顺式加成生成C或D, C发生还原消除生成反式 2-烯基吡啶。D 发生还原消除生成另外的产物。如下图所示：

2010 年四川大学的胡常伟和余孝其等[16]报道了铁催化的芳基硼酸和吡啶的偶联反应，主要生成2-芳基吡啶, 26%～42%产率(Eq. 6)。（6）

2010年Nakao和Hiyama等[17]报道了Ni(cod)2 催化的吡啶对位烷基化, 主要生成直链烷基化产物, 只有吡啶和苯乙烯反应主要生成支链烷基化产物(Eq. 7)。
（7）
反应机理下图所示: 镍（0）与吡啶配位形成A，零价镍对吡啶的4位碳氢键活化生成B, B与烯烃配位生成C, C对烯烃插入生成D, D发生还原消除生成产物。

2011年，中国科学院化学物理研究所的李兴伟等[18]报道了铑催化吡啶的2, 3位上的并环反应(Eq. 8)。
（8）
反应机理如下图所示: 4-甲胺酰基吡啶与RhCp*(OAc)2 反应脱去一分子醋酸生成 7，7分子内脱去一分子醋酸得到8，8与二苯基乙炔配位得到9，9发生二苯乙炔的分子内插入得到10，10和醋酸反应得到11，11分子内脱去一分子醋酸得到12，12与与二苯基乙炔配位得到13，13发生二苯乙炔的分子内插入得到14，14发生还原消除脱去 Rh(I)得到产物,3, Rh(I)经Cu(OAc)2氧化得到RhCp*(OAc)2，完成了催化循环。

2011年日本理化学研究所的侯召民等[19]报道了过渡金属钪催化的吡啶的支链烷基化，产率86%～99%；过渡金属钇催化苯乙烯对吡啶的直链烷基化,产率90%～99% (Eq. 8)。
（8）
钪和钇催化的反应机理如下图所示[19]。配体A 和吡啶作用脱去一分子烷烃生成B，烷基取代的烯烃对B插入生成C, C和吡啶发生配体交换生成产物3和B,完成了催化循环。苯乙烯对 B插入生成D, D和吡啶发生配体交换生成产物 3′ 和 B, 完成了催化循环。

2012年Hartwig等[20]提出了氧化吡啶2位芳基化的机理: ArBr 对(Pt-Bu3)Pd(0)氧化加成生成D, D与B转金属化生成C和A, C发生还原消除生成产物和零价钯完成左边的催化循环。A与氧化吡啶反应生成 B。

结论与展望
C—H 键是有机化合物最基本的化学键, 资源丰富。直接 C—H 键切断官能团化，可以减少反应步骤, 降低废弃物排放，而且由于反应中只失去一个氢原子或不失去，反应原子经济性高。通过过渡金属催化，实现C—H键活化反应无疑具有广阔的发展前景和科学意义。
本篇综述重点叙述了过渡金属催化吡啶碳氢键活化的反应及其机理。引用了一些参考文献，对该领域的发展状况做了简要的说明。可以看出，过渡金属在C-H活化领域的应用，使得对一些C-H键定向的活化和官能团化成为可能。相信随着过渡金属化学的迅猛发展，一系列新反应、新试剂必将陆续被发现和合成，并在有机合成中得到了广泛的应用。

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