镍催化下有机锌试剂与一卤代烃的交叉偶联反应研究进展

近年来, 过渡金属催化的C—C键形成反应受到了普遍重视, 研究最多的是钯催化下的C—C键形成的反应。因为钯的催化剂具有反应条件温和, 底物适用性广等优点。然而, 人们也越来越对镍盐催化的有机反应产生了极大的兴趣。这是因为镍远比钯便宜, 且能催化一些钯不能催化的反应。本文对近年来报道的镍催化下有机锌试剂与一级卤代烷的交叉偶联反应作一介绍。

1 一级烷基卤化锌与卤代芳基的交叉偶联

卤代芳烃在镍 (0) 催化下可以和烷基锌反应。这个反应对于苯环上含有各种取代基 (如氰基、酯基、醚基等) 都有较好的收率[Eq1]。为抑制副反应, 需加入LiCl作添加剂, 并且要在-78℃下将RZnI、LiCl和Ni (PPh3) 2混合再缓慢加热。

这个反应还可以使用Ni盐浸润的活性炭作催化剂, 使用Ni/C催化剂的好处是实验步骤简单, 产物容易分离, 催化剂可回收。

邻位上有取代基的碘代苯在镍催化下也可以和烷基锌试剂交叉偶联。反应可以将碘代苯连在树脂上, 进行固相反应, 再把产物从树脂上脱离下来。

对位有吸电子基的卤代苯与烷基溴化锌的交叉偶联反应也已有报道。正辛基溴化锌在镍催化下与4-氯苯甲腈的交叉偶联反应收率可达94%。

2 一级卤代烷与二烷基锌试剂/烷基溴化锌试剂的偶联

在研究使用Et2Zn的自由基环化过程中, Knochel发现Ni (acac) 2/LiI可作为Csp3-Csp3键形成的有效催化剂。在一个使用饱和卤代烷类似物的控制实验中发现仅会发生溴-锌交换, 这种远距离的双键对交叉偶联反应的发生起到非常关键的作用。Knochel认为这是由于二价镍与烯烃形成了络合物中间体, 这种中间体满足还原性消除。故其认为Ni (acac) 2可作为一系列不饱和的一级碘代烷与二有机锌试剂交叉偶联反应的很有效的催化剂[Eq2]。碘与烯烃之间的碳原子数从三个到四个的范围内交叉偶联反应能得到很好的收率。此反应条件可以兼容酯、腈等多种官能团。对于含氰基的碘代物也可以发生反应, 可能是起到与烯键相似的作用。

为了扩大这种反应范围, Knochel尝试使用各种缺电子的芳烃、苯乙烯以及酮等添加剂, 预计他们可以作为烯烃或氰基的替代物。使之与镍结合活化镍, 使镍发生还原性消除。他发现3-三氯甲基苯乙烯和苯乙酮 (20%～100%) 确实能够促进这种一级碘代烷与一级二有机锌试剂之间的交叉偶联反应。

这种方法也可以兼容三级胺、酮、酯以及含硫的官能团。除此之外, 含有β-支链的一级有机锌试剂也可以发生交叉偶联。

含有四烯配体的Ni化合物也可以催化有机锌和卤代烷的偶联[Eq6]。这个反应的优点在于可以兼容羰基、氰基、氨基等基团。反应对于二级有机锌试剂也有较高的收率, 但对于二级卤代烷的收率低。

降冰片烯9与Et2B H通过硼氢化反应, 然后再与i-P r2Z n发生硼-锌交换反应得到外形二 (2-降冰片基) 锌10, 10与碘代酮[I (C H2) 3C O P h]反应, 得到非对映选择性比较高的酮1 1, 收率61%[Eq3]。

这种镍催化下与高构象保留的二级锌试剂的偶联反应, 超过95%的构型保留下来, 产物11的exo∶endo比大于95∶5。这表明镍催化的交叉偶联反应是构型保持的。

尽管各种二有机锌试剂在上述条件下与一级碘代烷能较好地反应, 但烷基卤化锌在这种反应条件下不能发生偶联反应。最近Knochel等报道了官能团化的一级碘代烷与碘代烷基锌在Bu4NI (3equiv) , 4-氟苯乙烯 (20%mol) 和Ni (acac) 2 (10mol) 存在下, 以THF/NMP (2∶1) 混合为溶剂, -5℃, 几小时后可以得到交叉偶联产物12 (收率48%～82%) [Eq4]。

此反应对于酮、酯、胺等官能团有很好的兼容性。官能团的存在会使锌与官能团发生分子内络合, 从而降低了有机锌的反应效率。然而, 通过把锌试剂的用量加大到五倍当量, 就可以得到较好收率的交叉偶联产物。

二级有机锌试剂 (R2Zn) 比有机碘化锌活泼, 但只有一个烷基发生反应, 浪费了一个烷基。使用含有三甲基硅烷基的有机锌试剂解决了这个问题 (混合的有机锌试剂RZnCH2SiMe3 (RZnTMSM) 可以通过相应的烷基碘代锌 (RZnI) 与市场上可得的Me3SiCH2Li反应制得) 。因此, 当使用RZnCH2SiMe3类型的混合有机锌试剂时, 与各种碘代烷的交叉偶联在-20℃就可以完成, 且不需要使用Bu4NI作促进剂。

在Bu4NI存在下溴代烷也可以发生交叉偶联反应[Eq5]。这种镍催化的交叉偶联主要是一个碘-锌交换反应。没有自身偶联的产物。

(tpy) Ni-CH3也可作为卤代烷与烷基溴化锌交叉偶联的催化剂。此反应的优点是可以在室温下进行反应, 且没有任何β-氢消除产物。在这种交叉偶联反应中, 使用碘代烷比溴代烷效果要好得多。使用二级卤代烷作为亲电试剂也有较高收率。

3 结论和展望

本文介绍了镍催化下锌试剂与卤代烃的交叉偶联反应, 使用镍催化有机偶联反应不仅能降低反应的成本, 而且能够弥补Pd的种种不足。由于有机锌试剂非常好的官能团兼容性, 越来越多地被运用到有机合成中。关于镍催化下锌试剂的交叉偶联反应在有机合成中的应用将会受到了普遍的重视。

摘要：镍催化下锌试剂可以发生多种偶联反应。本文主要介绍了近年来报道的镍催化的一级卤代烷与烷基锌试剂的交叉偶联。

关键词：镍催化,有机锌试剂,一级卤代烷,交叉偶联