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細(xì)數(shù)偶聯(lián)反應(yīng)中鈀催化劑的“十宗罪”,是“嫖客”還是單純“拉皮條”?

 有機合成大菜籽 2024-04-01 發(fā)布于廣東

最近實驗室有個姑娘要做薗頭反應(yīng),文獻用的鈀催化劑是雙三苯基膦二氯化鈀。我們實驗室是有這個物料,但是之前我用的時候發(fā)現(xiàn)已經(jīng)氧化壞了。所以特意叮囑她最好別用這個,可以嘗試用四三苯基膦鈀代替。

至于這個壞鈀為什么沒扔?
是因為剩的比較多,這玩意又貴,當(dāng)時想的是抽時間用三苯基膦還原看看效果,只不過后來一直沒有時間,有時間時又想不起來,就擱置了!
沒想到是,后來組會的時候才發(fā)現(xiàn)姑娘并沒聽我苦口婆心的勸誡,一股腦地用了壞鈀。

結(jié)果得到的反應(yīng)液不出我預(yù)期,一鍋雜。挺無奈的!
……

借著這個由頭,今天調(diào)查了一些資料,正好和大家聊一聊過渡金屬鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)。


首先是鈀的性質(zhì) 鈀(Palladium)是第五周期Ⅷ族鉑系元素,屬于過渡金屬,元素符號Pd,為銀白色金屬,熔點1554°℃,沸點2970'℃,密度12.02克/平方厘米;質(zhì)較軟,有良好的延展性和可塑性。

金屬鈀能吸收大量氫氣。比較穩(wěn)定,能耐酸的侵蝕;高溫時能與氧和酸反應(yīng);鈀的化合物易加熱分解或還原成金屬鈀;有形成配位化合物的強烈傾向。

有機合成實驗室的鈀主要以三種形式存在:

一是具有發(fā)達(dá)微孔介質(zhì)負(fù)載的濕潤的鈀單質(zhì),如鈀碳;

二是與配體絡(luò)合形成的0價鈀配合物,最常見的就是四三苯基膦鈀,其他還有三(二亞芐基丙酮)二鈀,雙(二亞芐基丙酮鈀等;

最后一種就是各種氧化態(tài)的鈀了,常以+2價存在,見有醋酸鈀,各種配體的二氯化鈀等。

我們要知道的是不同種類的催化劑因為含量和活性的區(qū)別,往往價格差別非常大。同樣的,當(dāng)它們用在偶聯(lián)反應(yīng)時,往往也是有區(qū)別的。

至于鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)是怎么進行的,這是一個老生常談的問題,即:

鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)是從鈀插入開始的,從0價Pd啟動,經(jīng)歷氧化加成(oxidative addition),轉(zhuǎn)金屬化(transmetallation),還原消除(reductive elimination)得到產(chǎn)物。

如果不是很理解,我這里也有個不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎?/span>

鈀金屬其實就是“拉皮條”的老鴇,被修飾的底物就是姑娘,“漢子”不能硬上,想打開姑娘的心,首先要先打開姑娘的門。

而想打開姑娘的門,最好漢子先藏后面,能有個熟人中介——“拉皮條的”先進去,美言美言幾句!

但在這個嚴(yán)打“色情交易”的時代,“拉皮條的”也要保證自身的純粹,帶合適的禮物(配體)是可以的,但最好不要被什么東西“束縛住”(氧化態(tài)),如果不幸被束縛住了,也一定要提前找好解脫束縛的途徑。

只有提前交流好,這買賣才能成。

這樣說來,其實影響買賣的因素很多 ,比如:里面的姑娘長的怎么樣;主要看底物反應(yīng)位點活性,比如做suzuki,一般來講碘>OTf>溴>氯

又比如老鴇帶的禮物好不好;主要是配體的電性,空間體積等。比如,通常富電子配體能促進氧化加成;當(dāng)對氯代芳烴這種低活性的物質(zhì)的底物,如果只用普通的三苯基膦配體就不行,這里二(三叔丁基膦)就比四(三苯基膦)要好。

反過來,缺電子或者大位阻膦配體能促進還原消除,因此對于還原消除很困難或者有beta-H消除競爭的偶聯(lián)反應(yīng)可使用這類型配體,sp3-sp3碳還原消除一般很難,但是這類Suzuki反應(yīng)可以用大位阻配體實現(xiàn),既減少beta-H消除又因為位阻過大強迫還原消除。

另外,鈀催化劑在反應(yīng)過程中的穩(wěn)定性也是重要考量,相信沒有人希望,那么貴的鈀催化劑投加到體系很快就變壞成鈀黑吧(Ps:好吃的太多,自己都沒忍住,game over!)

所以配體另一重功效就是能穩(wěn)定零價Pd中間體,使之不聚合成Pd黑析出來。
普通的偶聯(lián)反應(yīng)(如sp2-sp2的Suzuki,Kumada, Negishi,……,sp-sp2的Sonogashira等),只要沒有特殊需求,你買的四(三苯基膦)鈀和你買的二價鈀(如醋酸鈀,雙三苯基膦二氯化鈀等)再額外加三苯基膦區(qū)別并不大,因為零價Pd可以由二價Pd被膦配體或胺類有機堿還原生成。這也是是為什么開頭我想加點三苯基膦還原壞鈀的原因
其實話說回來,一類鈀催化劑中,pd真想要去發(fā)光發(fā)熱,主要還是要看配體以及催化劑前體中抗衡離子的臉色。

遺憾的是不同的催化劑前體發(fā)揮作用的具體細(xì)節(jié)無法衡量量和預(yù)測。這也是很多新反應(yīng)要大量篩選的原因。目前能好好預(yù)測的一般只有這個催化劑的Pd是不是正電性,比如Pd(OTf)2這類帶著非配位性抗衡離子的,對于特殊的難以與Pd配位的底物有奇效。其他抗衡離子如Cl有時候不容易掉下來,占著茅坑(配位點)導(dǎo)致反應(yīng)無法進行,這時候可能就需要Ag鹽等這類halide scavenger了(偶聯(lián)反應(yīng)中這類情況其實很少見,更多見于C-H鍵活化領(lǐng)域)。
……
未完待續(xù)

以上
聽說給本文點贊,在看,喜歡的同仁們都要發(fā)nature,science了?。?!

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