《中级有机化学》章末总结14
第十四章为过渡金属催化，对金属有机的反应作一个简略的概览。
第14章 过渡金属催化的反应
本章主要是介绍过渡金属催化的C-C、C-N和C-O交叉偶联，羰基化反应，以及过渡金属卡宾催化的烯烃复分解反应。
14.1 过渡金属化合物的结构
基础知识部分，快速过一下。
过渡金属配合物的常见几何构型主要有正四面体、平面四边形、正八面体和正六面体（或称三角双锥）四种。
| d电子数 | 杂化 | 几何构型 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 10 | $sp^3$ | 正四面体 | $Pd(PPh_3)_4$ |
| 9 | $dsp^2$ | 正方形 | $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$ |
| 8 | $dsp^2$ | 平面四边形 | $RhCl(CO)(PPh_3)_2$ |
| 7，6 | $d^2sp^3$ | 正八面体 | $[Co(CN)_6]^{4-}$ |
| 5，4 | $d^2sp$ | 正八面体 | $Mo(CO)_6$ |
特别分析一下烯烃与金属的成键，烯烃的双键成键轨道上的电子流向金属空的d轨道，形成类σ键，双键因此成缺电子性。过渡金属满的d轨道可以反充到烯烃的反键轨道，又弥补了双键的电子密度，形成类π键。
![中有14-1]
如果金属和烯烃的作用很强，则类σ键和类π键都较强，金属和烯烃的配合物将具有金属杂环丙烷型结构的特征，反之则更像普通的π-配合物。
![中有14-2]
14.2 过渡金属化合物的四个基元反应
金属有机的四个基元反应包括（1）配体的配位和解离；（2）氧化加成和还原消除；（3）插入反应和反插入反应；（4）配合物中配体接受外来试剂的进攻。
（ 金属有机的四大基元反应在不同资料中说法不一，但是相差也不太大，本文按照此教材进行讨论。 ）
配体的配位和解离是过渡金属反应的基础，配体与金属结合越紧密，则该配合物易于分离提纯；反之则反应活性高，易于发生反应。
Murai报道了如下Ru催化的C-H键活化反应。
![中有14-3]
在该反应的催化循环中，催化剂中的氢先加到双键上，同时离去一个$PPh_3$成14电子中间体，然后活性中间体与酮配合并活化邻位C-H键。
氧化加成（oxidative addition）是过渡金属的氧化态升高，配位数增加的反应。当过渡金属是富电子性的，处于配位不饱和状态，且配体的体积较小是，易发生氧化加成反应。
还原消除（reductive elimination）是金属的氧化态下降，配位数减少的过程。当过渡金属是缺电子性的，处于高的氧化态和高配位，配体的体积较大，且生成的共价键比较稳定时，易发生还原消除反应，它通常是催化反应的最后一步。
还原消除有立体化学的要求，消除的两个基团应处于顺式。
![中有14-4]
插入反应指的是C-M键对双键的加成，可以分为1,2-迁移插入和1,1-迁移插入。
![中有14-5]
反插入反应则是上述过程的逆反应，即β-消除和α-消除。
![中有14-6]
插入反应活化了不饱和键，反插入反应则是生成新的C-M键。
1,2-迁移插入经历一个四元环过渡态，必须满足顺式加成。
![中有14-7]
在1,1-迁移插入中，如果C-M键的碳原子是手性的，其构型在插入后将保持。
不饱和键与过渡金属配位后，变得缺电子，而易受亲核试剂的进攻。进攻具有立体专一性，得到反式加成产物。
![中有14-8]
14.3 过渡金属催化下的C-C偶联反应
过渡金属催化的偶联反应已经成为现代有机合成中不可缺少的重要部分，其特点是使用催化量过渡金属，反应选择性好。许多反应在提出之后得到了快速的发展和改良，下面介绍一些代表反应。
在列举反应之前，首先明确这些过渡金属催化反应的基本反应模式。
- （1）氧化加成，即金属插入亲电试剂的σ键中。
- （2）金属交换或配体交换，即亲核试剂取代金属配合物一个配体，新的金属配合物上同时有亲核和亲电两个片段。
- （3）还原消除，生成偶联产物，同时金属回到起始氧化态，并进入下一个催化循环。
![中有14-9]
还有另一类反应模式（如Heck反应），其在催化循环中还包括一个发生在碳碳双键上的加成-消除过程
![中有14-10]
接下来列举一些反应。
Ullmann反应，卤代芳烃与铜粉在高温（200℃以上）反应，生成对称或不对称联苯和卤化亚铜，可能存在芳基自由基机理和芳基铜中间体机理。
![中有14-11]
Suzuki反应，在$Pd(0)$催化剂和碱存在下，芳基或烯基硼酸或硼酸酯与不饱和卤代烃或磺酸酯发生碳碳键偶联反应。
![中有14-12]
Sonogashira反应，端基炔与不饱和卤代烃或磺酸酯的偶联反应，反应使用$Pd(0)$和$Cu(Ⅰ)$协同工作，分别活化卤代烃和炔烃。
![中有14-13]
Stille反应，有机锡化合物与卤代芳烃或卤代烯烃在钯催化下偶联。
![中有14-14]
Kumda反应，烷基或芳基格氏试剂与卤代烯烃或卤代芳烃在镍或钯催化下的立体选择性交叉偶联反应，由于镍的催化活性相对钯等较弱，因此需要镍催化剂首先与格氏试剂和卤代烃反应生成活性催化剂才能开始催化循环。
![中有14-15]
当使用钯催化剂时，反应可以直接从氧化加成开始。
![中有14-16]
Negishi反应，在钯或镍催化下，有机锌化合物与卤代烃发生反应，生成偶联产物，该反应的机理与Kumada反应非常相似。
![中有14-17]
Hiyama反应，在钯或镍催化下卤代烃或磺酸酯与有机硅烷之间的交叉偶联反应，反应需要氟离子或碱作活化剂。
![中有14-18]
Fukuyama反应，在钯催化下，有机锌化合物与硫代酸酯发生偶联生成酮。
![中有14-19]
Heck反应，在钯催化剂和碱存在下，不饱和的卤代烃或磺酸酯与烯烃反应。
![中有14-20]
14.4 过渡金属催化下C-N和C-O偶联反应
Ullmann缩合，和Ullmann反应可以看作是一样的，只不过从C-C键偶联转换为C-N/C-O键偶联，但该反应已经通过实验确定为芳基铜中间体机理。
![中有14-21]
Buchwald-Hartwig反应，在钯催化剂和化学计量的碱存在下，卤代芳烃或芳基磺酸酯与胺反应生成芳胺，或者与醇或酚反应生成芳基醚。
![中有14-22]
14.5 过渡金属催化的羰基化及相关反应
在钯催化剂和亲核试剂存在下，卤代芳烃（或磺酸芳基酯，或芳基重氮盐）可与CO发生插碳反应。
![中有14-23]
卤代芳烃或卤代烯烃在还原剂存在下的过渡金属催化羰基化反应生成芳醛或$\alpha,\beta$-不饱和醛，此反应称为还原羰基化反应。氢气、金属氢化物是有效的还原剂，便宜易得的甲酸盐也被成功地用作还原剂。
![中有14-24]
烯烃、炔烃或共轭二烯在过渡金属催化剂和亲核试剂存在下与CO反应，生成羰基化产物。称为Reppe羰基化反应，常用的催化剂为$Ni,Co,Pd$配合物。
![中有14-25]
在过渡金属催化下，烯烃与合成气（$H_2+CO_2$）在高压加热的条件下反应生成醛，反应的总体结果是醛基和氢分别加到烯烃双键的两侧，故此反应称为氢甲酰化反应，常用的催化剂为$Co,Rh,Ir$的羰基配合物。
![中有14-26]
在八羰基二钴$[Co_2(CO)_8]$存在下，炔烃、烯烃与一氧化碳发生[2+2+1]环加成，一步生成$\alpha,\beta$-环戊烯酮衍生物，该反应称为Pauson-Khand反应。该反应具有很好的区域选择性：较大的取代基处于产物中羰基α位。
![中有14-27]
14.6 过渡金属卡宾配合物结构及其性质
过渡金属和碳的成键除了M-C键以外，还有$M=C$键和$M\equiv C$键，称为过渡金属卡宾配合物和过渡金属卡拜配合物。
过渡金属有Fischer卡宾和Schrock卡宾两种，它们各有自己独特的特点。
Fischer卡宾有以下几个特点：（1）金属中心具有低氧化态；（2）以中间和后过渡金属为主，如$Fe(0),Mo(0)$等；（3）金属配体有π-受体的性质；（4）卡宾碳原子上取代基有π-给体的性质可使Fischer卡宾的结构得到稳定。其成键方式可表示如下：
![中有14-29]
实验室常用的制备Fischer卡宾的方法是利用锂亲核试剂进攻$Cr(CO)_6$中一氧化碳配体得到加合物，再和强的亲电试剂作用即得Fischer卡宾。
![中有14-30]
Fischer卡宾是缺电子性的，可以接受亲核试剂进攻，其α-H具有酸性，用碱处理后也可以作为亲核试剂反应。
Fischer卡宾可以发生三键插入反应，可能的机理是通过[2+2]环加成得到四元环状中间体，继而发生电环化开环得到新的金属卡宾。
![中有14-31]
类似的反应如Dötz芳香稠环反应，该反应是一个[3+2+1]环加成反应。
![中有14-32]
Fischer卡宾具有类羰基的性质，可以被芳基负离子亲核进攻，进而得到新的金属卡宾。如果是α,β-不饱和卡宾，那么也需要考虑1,2-加成和1,4-加成的竞争。一般来说，低温+小位阻亲核试剂易发生1,2-加成；高温+大位阻亲核试剂易发生1,4-加成，和α,β-不饱和羰基化合物差不多的反应性。
![中有14-33]
Fischer卡宾也能在碱性条件下失去α-H，生成碳负离子，发生羟醛缩合等反应，比如：
![中有14-34]
接下来讨论Schrock卡宾，Schrock卡宾有以下特点：（1）金属中心具有高氧化态；（2）以前过渡金属为主，如$Ti(Ⅳ),Ta(Ⅴ)$等；（3）金属配体有π-给体的性质；（4）卡宾碳原子上的取代基多为烷基或芳基。其成键方式可表示如下：
![中有14-35]
与Fischer卡宾不同，Schrock卡宾具有和叶立德相似的性质，例如1978年由Tebbe发现的二氯二茂铁与2当量的三甲基铝反应生成的钛铝配合物（称为Tebbe试剂）可以发生类似Wittig反应的烯基化反应，称为Tebbe反应。
![中有14-36]
Tebbe反应还能做到Wittig反应无法实现的酯和酰胺的烯基化。
![中有14-37]
在过渡金属卡宾配合物催化下，两种烯烃双键发生重组，形成两个新的双键的反应称为烯烃复分解。顾名思义就是烯烃双键两端的基团发生类似复分解反应那样的交换，催化该反应的催化剂最早有Schrock催化剂和Grubbs催化剂，后来又发现了一些含镍、钨、钌或钼的配合物。
![中有14-38]
Chauvin提出的环加成机理目前被广泛接受，金属催化剂的d轨道与烯烃的相互作用降低了活化能，使烯烃复分解反应在适宜温度下即可发生。
![中有14-39]
1,n-烯炔在过渡金属下环化异构化可以发生类似的烯炔复分解反应，生成1,3-二烯。
![中有14-40]
（ 既然有烯烃复分解、有烯炔复分解，那么有没有炔烃复分解呢？当然是有的，参考这篇文献：Chem. Commun. , 2005, 2307-2320，里面比较全面介绍了反应和在合成中的应用。 ）
14.7 金属亚基卡宾的结构及其反应
末端炔烃和金属亚基卡宾之间存在互变，三键更加稳定，但是过渡金属存在时可以通过配位作用使亚基卡宾稳定。
金属亚基配合物可以和多种亲核试剂发生反应，生成Fischer卡宾。
![中有14-41]
总结
金属有机还有很多内容可以深入，本章暂且点到即止吧。