chapter 2 金属有机化学

有机合成中的金属有机化学CCCHCXCCCCCMCHMCO,SCN,PCN,PCNCO,S主族金属有机试剂及其在有机合成中的应用主族金属元素的电负性很低，容易失去电子形成正离子，相应的金属-碳（C-M）键甚至金属-氢键主要表现出离子性。在精细有机合成中主族金属有机化合物主要应用1)以碳负离子形式作为亲核试剂与有机亲电试剂反应形成碳-碳键2)作为强碱夺取质子形成新的碳、氮和氧等元素原子的负离子。RMRMR+M有机镁试剂（RMgX,格氏试剂)Grignard在1901年率先发展起来2RMgXMgR2+MgX2OO有机镁试剂制备RX+MgRMgXether+MgRMgX2RXR2+MgX2+RXR2+MgX2IFGiPrMgBrTHF-40oC-0oCMgBrFGFG=CO2R,CN,CONR2EtO2CIiPrMgXTHF,-30oCEtO2CMgX影响格氏试剂制备的主要因素1)H2O2)O23)CO24)溶剂5)温度6)?RX+MgRMgX?格式试剂溶液的检测Gilman颜色反应NNORMgXNNROMgXH2OI2NNRI格式试剂浓度的测定可靠的方法是以1,10-邻菲罗啉为指示剂用2-丁醇滴定RMgXNNRMgNNXOHOMgNNXR格式试剂浓度的测定可以通过将格式试剂与过量的标准酸溶液反应，然后再用碱反滴定剩余的酸来完成格式试剂溶液浓度测定格式试剂参与的主要有机合成反应与含活泼质子化合物反应RCH+R'MgBrRCMgBr+R'HRNH2+RNHMgBr+R'MgBrR'HRCONH2+RCONHMgBr+R'MgBrR'HRMgXH2ORH1.CO22.H+RCO2HR1CHOR1ROHR1R2COR1OHR2ROR1R1ROHR1CO2EtRRR1OH1.R1CNR1RO2.H+HC(OR)3RCHO作为亲核试剂形成C-C键有机锂试剂1)有机锂与格式试剂有很多相似之处2)碱性和亲核性都比相应的格氏试剂高3)能进行一些格氏试剂不能进行的反应RLi有机锂的制备Cl+Li正己烷60oCLiORLiOHLiROLi++RH-70oCLiRX+RLi+XLiH+LiX++RLi金属锂与卤代烃反应金属-卤素交换反应有机锂试剂浓度的测定丁基锂等有机锂试剂浓度的测定可以通过与水反应，然后再用标准酸滴定。一般同时滴定丁基锂与过量1,2-二溴乙烷反应后的溶液来消除氢氧化锂等其它碱引起的误差，即所谓的双滴定RLiNNRLiNNOHOLiNNR有机锂在精细有机合成中的应用R-LiH2ORH1.CO22.H+R1CHOR1ROHR1R2COR1OHR2ROR1R1ROHR1CO2EtRRR1OHR1ROHC(OR)3RCHOR1COOHRRO与含活泼质子化合物反应SSHRSSLiRn-BuLiNHBuLi-30oCNLi(LDA)SiNHSiBuLi-30oCSiNSiLi(HMDSLi)与卤代烃进行取代反应R-X+R'CCLiR'R与羰基化合物的加成ButtBuO+n-C18H37LiTHFtButBun-C18H37OH与二氧化碳反应RLi+CO2ROOLiRLiROLiOLiRH3O+RORROHOR'LiROLiOR'LiROLiOLiR'H3O+RR'O与羧酸及其衍生物加成ClCF3NHOMeOLiPhMeLiONSRClCF3NHMeOOHClONHOCF3抗艾滋病药物efavirenz98~96%e.e.有机铜锂试剂与有机镁和有机锂试剂不同，有机铜锂化合物是一类双金属配位化合物，其中在有机合成中最具应用价值的是二烷基铜锂化合物RLi+RCuR2CuLi2RLi+CuXR2CuLi+LiX反应性比有机镁和有机锂低,选择性高二烷基铜锂的活性较低，一般不能与酮羰基加成在有机合成中的应用与卤代烷的偶联反应Me2CuLi+n-C10H21I0oCn-C11H24Et2OBrOCuLi2+THFOMeBr+CuLi2Et2OMe与酰卤的偶联反应R2CuLi+R'COClR'RO与不饱和羰基化合物共轭加成R2CuLi+OOR4)有机锌试剂RZnBr/R2Zn活性低,一般不与直接酯反应,但可与醛和酮羰基反应,特别是在Lewis酸催化下.Reformatsky反应+ZnR'COR(H)BrOMeROBrZnOMeROOMeROR'OHROMeROR'OHCHOHHOEtEt2Zn+N(CH3)2OH(2mol%)(n_C4H9)3SnON(CH3)2OH(n_C5H11)2Zn(n_C4H9)3SnOH产率97%，98%e.e.S/R=93:7R2ZnOR'+OHR'Rcat:R2NOH过渡金属有机配合物及其在精细有机合成中的应用1827年第一个过渡金属有机配合物Zeise盐K[PtCl3(C2H4)]Ph+R+R'(L)RuPhRR'+直到1960年后------过渡金属有机配合物配体及其分类在过渡金属配合物中向中心金属提供电子的基团或分子称为配体按配体在形成配合物时提供的电子数目分类-2CrFe::Ph2PPPh2PPh3Me2NNMe2按配体的分子结构分类配位成键与共价键活化PtClClCl-K+过渡金属配合物成键类型可以分为金属-配体σ键和π键过渡金属配合物中π配体首先向金属d空轨道供电子，同时配体的反键空轨道也接受金属d填充轨道的电子，这种成键形式称为电子授受，结果导致配体本身被活化电子授受配键是过渡金属-π配体之间特有的成键方式，是过渡金属有机配合物区别于主族金属配合物的主要特征之一。电子授受配位键使配位的π配体被活化，是许多过渡金属催化过程的第一步Pt-+CC--++Pt++-+-CCdsp2-+乙烯的轨道杂化轨道乙烯的轨道填满的d轨道空5d6s6pPtClClCl-K+dsp218电子规则在研究d区过渡金属有机配合物的过程中人们常常发现如果金属离子的总电子数是18，它一般就很稳定，这个普遍存在的现象被称为“18电子规则”总电子数（N）=过渡金属元素总价电子+配体提供的总电子数配合物的总电荷数(5-C5H5)2FeC5H5-:5e,Fe=8e;N=5eX2+8e=18eHRh(CO)(PPh3)3CO:2e,PPh3=2e,H-:1e,Rh=8e；N=2e+2eX3+1e+9e=18e[Co(CN)6]3-CN-:1e,Co:9e；N=1eX6+9e+3=18e应该指出的是稳定的过渡金属配合物中心金属离子并不一定要求18电子结构有时16甚至14电子的配合物也是可以存在的过渡金属有机配合物的基元反应配位与解离配位是指中心金属对电子对的络合作用，是最简单的基元反应LClLHRh(I)HLClLHRh(I)H+1)形成配位作用的前提条件是中心金属配位不饱和。2)金属空轨道与配位的成键电子对所占轨道之间的能级要匹配。3)只有在空间允许的条件下配位作用才有可能发生。解离是配位的逆过程配体配位与解离的过程如果在不同种类的配体之间连续进行，即为配体交换如果配体配位与解离的过程是在同一配体的不同配位模式之间或同一配合物中不同配体之间进行称为配体重排LnMXLnM+XLnM+X'LnMX'LnMX+X'LnMXX'LnMX'+XLnMRLnMR插入与-消除一个不饱和配体的重键插入同一配合物中的金属-配体σ键的反应称为插入反应也有文献将插入反应描述为σ配体迁移到配位的不饱和配体上LnMLnM+LnMRLnMRLnMRLnM+RLnMRLnMRCOOCORRLnM+R插入反应一般认为是包含断键和成键同时发生的协同过程，经由环状过渡态发生，是专一的顺式插入LnM+RLnMRLnMRLnMROOOOLnM+RLnMRLnMRR''R'R'R''LnMRR'R''R''R'HHHH插入反应的逆过程即为β-消除，进行β-消除的前提条件是消除的基团与金属为顺式取向，而且金属的配位必须不饱和LnM+RLnMRLnMHR''R'R'R''LnMRR'R''R''RHHHR'LnMRR''R'HHLnMHR''RHR'LnMHR''RHR'LnMHR''RHR'+氧化加成与还原消除氧化加成是指X-Y加成到可以被双电子氧化的过渡金属或其配合物上氧化加成的基本特征是中心金属的氧化数升高，X-Y获得两个电子而断裂还原产生两个阴离子X-和Y-I+Pd(PPh3)4PdPPh3PPh3+2PPh3I支持配体对过渡金属有机配合物性质的影响电子效应反位影响与反位效应反位影响是指当四面体或八面体构型的配合物处于基态时，某一配体对与其处于反位化学键的削弱程度，是热力学概念;反位效应是指某种配体对处于其反位配体的交换速度的影响C2H4CNCONOH-PR3H3C-I-Cl-Br-NH3吡啶XPPh3APPh3PtBXPPh3BPPh3PtPh2PAPPh2PtXBPh2PBPPh2PtX电子效应定量预测困难，但一些定性的规律却可以帮助配合物性能的预测，较少配体筛选的盲目性。给电子性强的配体降低金属上的正电荷（增加金属的电子密度），有利于单体的插入（降低金属电子密度）和解离，但不利于配位和β-氢消除（增加金属电子密度）。Cl+Pd(PR3)4PdClPR3PR3+2PR3R=CyPhOPh位阻效应空间因素对过渡金属配合物的稳定和反应性影响与电子因素同等重要，有时甚至占主导地位一般讲，在一定范围内电子因素相同的情况下，配体的位阻越大，配合物越稳定，反应活性越低。但大位阻的配体有可能稳定电子配位不饱和的配合物，比如16甚至14电子的配合物或中间体，这些电子配位不饱和的配合物一般具有更高的反应活性在以N-杂环卡宾为配体时，钯络合物对氯代苯的氧化加成活性与配体的数量关系密切。当配体对钯的比超过2时，一般反应就很慢；而1:1时反应速度最快Cl+Pd(L)nPdClNN空间要求大的配体可能稳定具有刚性骨架的结构的配合物、中间体或过渡态，对反应的立体选择性的影响很大空间位阻效应在控制反应立体选择性中的一个重要应用是采用手性配体形成不对称刚性空间，实现不对称控制OHOH(S)-BINOLPP(S)-BINAPOHNHONHH(R,R)-Salen过渡金属有机配合物与均相催化过渡金属催化烯烃氧化CHCH+H2OHgSO4[]CH2CHOHCH3CHOCH2CH2+1/2O2PdCl2-CuCl2稀HCl(aq.)CH3CHORPdCl2-CuCl2-O2RO--[Cl3Pd]+ClCH2CH2+PdCl42-[Cl2(H2O)Pd]+Cl-[Cl2(H2O)Pd][PdCl2CH2CH2OH]-+H+[PdCl2CH2CH2OH]-CH3CHO+[HPdCl2]--[HPdCl2]Pd(0)+HCl+Cl-Pd(0)+2CuCl2PdCl2+2CuCl4CuCl+HCl+O24CuCl2+2H2OH2CCH2CH3CHOPdCl2Pd(0)CuClCuCl2O2+HClH2O烯烃催化氢化H2Cat.RR'RR'HH点评：1.反应为顺式选择性2.从位阻小的一面氢化3.可以对羰基实现选择性H2HRhPh3PHClPh3PHRhPh3PClPh3PRRRRHRhPh3PHClPh3PRhPh3PClPh3PRhPh3PClPh3PPPh3HHHH2HHCO2HPd/Al2O3H2PtO2HO2CCO2H+HHHCHOH2/PtCH3COOEtCHOHH过渡金属催化的偶联反应ArRArPdXPdXPd0ArAr-XRRHPdXHBHXBR+IPd(PPh3)4Et3NR+HINEt3ArPdXPd0Ar-XPdArRArPdMXArRR-MXRM+Ar-XRMArRcatM=MgX,B(OH)2,SnBu3,ZnBr,SiMe3+Ar-XRYMArYRcatY=O,N,SHOHO2CBrPd(OAc)2,Na2CO3H2O,RT.2hB(OH)2+HOHO2CRBr+HNPhMe0.8%P(But)31%Pd(dba)2NaOBut/Tol.RTRNPhMe过渡金属催化的羰基化反应(a)MCO-+-M+CO-+-MCO+-+-+--++--+CO+-+-+-+M