不从零开始的有机反应学习——Heck reaction

2018-05-06 20:52 作者:威廉亨利布拉格 0人读过 | 我要投稿

Heck reaction AKA Mizoroki-Heck reaction

赫克反应是在钯催化剂（或纳米钯催化剂）和强碱作用下，由不饱和卤代物（或三氟甲磺酸酯）与烯烃发生的取代反应。可以写作如下形式：

该反应由Tsutomu Mizoroki和Richard F. Heck发现并命名。其发现者之一R.F.Heck因此反应的发现和改进与Ei-ichi Negishi和Akira Suzuki共享了2010年的诺贝尔化学奖。

Heck reaction是发现遵从Pd(0)/Pd(II)催化循环的第一个碳碳键形成的反应，同样机理的还有Pd(0)催化的碳碳键交叉偶联反应。此反应之所以重要，就是因为它实现了sp2杂化下的C-H键与C-X键的取代反应，而且还具有很高的trans选择性。

研究表明，Heck反应的机理有一定的规律，通常认为反应共分四步：（a）氧化加成（Oxidative addition）: RX (R为烯基或芳基，X=I > TfO > Br >> Cl)与Pd0L2的加成，形成PdⅡ配合物中间体；（b）配位插入（Cordination-insertion）:烯键插入Pd-R键的过程；（c）β-H的消除；（d）催化剂的再生：加碱催化使重新得到Pd0L2。

机理可表示如下：

对于Heck反应，最初的催化剂用的是Pd盐，比如氯化钯、乙酸钯等。后来又出现了非Pd催化剂，比如铜、铁、镍等催化剂。我们重点了解一下钯催化剂。Pd催化剂能有效催化Heck反应，但它们难以从反应体系中分离和回收再利用，而且在反应过程中易生成钯黑，不但使催化剂的活性降低，而且会污染反应产物。所谓负载型Pd催化剂，是指将贵金属Pd负载于无机或有机材料上，不仅可以保持其催化活性，还有利于反应后的分离和回收，此外，负载材料的空间效应还能影响产物的构型。

Seckin等研制了以聚酰亚胺作载体的催化剂，并测试了其在苯乙烯与卤代芳烃反应中的催化效果。结果表明，该催化剂与苯基膦类催化剂相比，价格低廉，反应速率高，在空气中稳定，能大规模应用。

Datta等对油溶性聚-4甲基苯乙烯极性溴化、膦化，该聚合物与Pd配位后能高效催化Heck反应，并且由于膦含富电子基团，该配合物在空气中很稳定。该催化剂可以用纳米滤膜过滤，但由于Heck反应用的是极性疏质子溶剂，会对滤膜造成破坏，因而限制了该方法的应用。

Bigi等人研制了能有效催化Heck反应的Pd/SiO2催化体系。乙酸钯与SiO2、硫脲形成的衍生物作用，形成的催化剂并不稳定。经过煅烧，该催化剂变得稳定，但其活性严重依赖于煅烧温度。研究发现，这种依赖性应该是负载材料的表面结构所引起的。

Dahan等人在聚苯乙烯与膦钯复合物之间加了一层树枝状的结构，研究发现，树枝层数越多，空间越大，催化效果也越好。对于某些反应，该催化剂甚至能将产率提高的100%

端基烯烃与卤代芳香烃发生分子间Heck反应，是研究最早的一类反应。这类反应已经成为芳烃烷基化重要反应。

该类反应在卤代物中，卤素的β位的碳原子上不能有SP3杂化的氢原子。主要是因为这类卤代物形成烷基钯络合物时，氢化钯的消除反应速度大于烯烃的加成反应，因此仅有消除产物。卤代芳烃、卤代杂环、卤化苄、卤代乙烯等都能较好的反应。但其他一些卤素的β位的碳原子上没有SP3杂化的氢原子存在的化合物由于种种原因也不能正常反应，例如：卤代甲烷、卤代乙酸乙酯、苯甲酰甲基溴等。该类反应常用碘代物和溴代物为反应底物，碘代物相对溴代物反应活性要高。氯代物反应活性很差（几乎不反应或者收率很低）。

决定烯烃活性的主要因素是烯烃双键碳原子取代基的大小和数目。一般情况下，取代基越大，数目越多，反应速度越小，收率越低。当一些烯烃反应活性较差时，通常可以得到卤化物二聚的副产物。一般说来，共轭二烯和α, β-不饱和羰基化合物的活性高于立体相似的单烯化合物。例如卤代烯烃与丙烯酸的反应速度远大于丙烯腈，而丙烯腈的活性又高于丙烯缩醛。

在大多数情况下，Pd-H的消除符合Curtin-Hammett动力学控制规则，即过渡态的能量反应了顺反异构体的比例。一般情况下，除非R特别小（如 –CN）,反式异构体是主要产物（上文已提到的trans选择性）。其选择性甚至超过Wittig-Horner反应（见下图）。但由于存在异构化，热力学控制时常常产生二者的混合物，从而导致例外的情况出现。