尹兵
摘 要:多米諾反應(yīng)是用簡單的材料從單一的操作中合成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子的高效合成方法,已引起高度重視。近日,提出了多米諾反應(yīng)的新概念——串聯(lián)催化,催化劑依次激活了兩種以上完全不同的反應(yīng)。串聯(lián)催化分為三類:獨立、輔助和自動串聯(lián)催化。本文簡單介紹了近幾年來關(guān)于獨立串聯(lián)與輔助串聯(lián)催化技術(shù)的部分研究成果。
關(guān)鍵詞:多米諾反應(yīng);獨立串聯(lián)催化;輔助串聯(lián)催化
1 概述
隨著綠色有機合成化學(xué)的不斷發(fā)展,尋求理想的綠色合成方法,實現(xiàn)在溫和條件下快速、高選擇性的合成,是綠色有機化學(xué)發(fā)展中的重要目標(biāo)。在這樣的目標(biāo)下,高效、高選擇性、高原子經(jīng)濟性的合成反應(yīng)就尤為重要[1]。
一種有效提高合成效率的方法是將多個反應(yīng)條件相似的反應(yīng)結(jié)合起來一次性完成,將上一個反應(yīng)得到的新官能團用于下一個反應(yīng),或是將上一個反應(yīng)生成的活性中間體在合適的條件下直接進行下一步反應(yīng)而跨越了取出中間產(chǎn)物這一環(huán)節(jié)。這樣,在一次反應(yīng)中形成多個化學(xué)鍵(還可能形成多個環(huán)),從而有可能將較簡單的原料經(jīng)過很短的步驟轉(zhuǎn)化成很復(fù)雜的分子,這就是多米諾反應(yīng)(domino reaction)。很明顯,與傳統(tǒng)的分步反應(yīng)相比,巧妙的多米諾反應(yīng)不僅能提高反應(yīng)效率,還能大量減少浪費,如溶劑、試劑、能量等的損耗將大大減少[2]。
近五年來,隨著研究的不斷深入,出現(xiàn)了許多新的串聯(lián)反應(yīng),特別是在光學(xué)活性天然產(chǎn)物分子的合成中,本文簡單列舉了近幾年來自動串聯(lián)催化技術(shù)的研究成果[3]。
2 串聯(lián)催化
“串聯(lián)催化”一詞被Fogg和Santos定義為耦合催化,底物的順序轉(zhuǎn)型發(fā)生在兩個或更多不同的機械過程中。由于串聯(lián)催化涉及多個催化劑控制的化學(xué)反應(yīng),與催化的多米諾反應(yīng)相比,單一的合成操作可能發(fā)生高度多樣化的轉(zhuǎn)變。
串聯(lián)反應(yīng)對于解決有機合成中的結(jié)構(gòu)和效率問題具有強有力的優(yōu)越性,突出表現(xiàn)在:(1)串聯(lián)反應(yīng)的中間體不需分離,直接用于原位反應(yīng),從而簡化了操作步驟。對于敏感的、不穩(wěn)定的中間體,這一優(yōu)點尤為突出;(2)串聯(lián)反應(yīng)減少了溶劑、洗脫劑的用量和副產(chǎn)物的產(chǎn)生,有利于環(huán)保;(3)串聯(lián)反應(yīng)經(jīng)??梢缘玫姜毺氐幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu),大多具有很高的選擇性。總之,串聯(lián)反應(yīng)是一個高效率的反應(yīng),可將較簡單的原料經(jīng)過很短的步驟轉(zhuǎn)化成很復(fù)雜的分子。因此,在復(fù)雜結(jié)構(gòu)及天然產(chǎn)物的合成中,串聯(lián)反應(yīng)常常可以起到非常關(guān)鍵的作用。
Fogg和Santos[4]提出了串聯(lián)催化分為三類,獨立、輔助和自動串聯(lián)催化,它們的分類是基于催化劑的效率。本文主要對獨立串聯(lián)與輔助串聯(lián)催化反應(yīng)進行介紹。
2.1獨立串聯(lián)催化
“獨立串聯(lián)催化”[5]由兩個或更多的互不干的催化劑或催化胺,它們各自催化一個獨立的化學(xué)轉(zhuǎn)換。
催化劑X和Y是可以共存的,它們單獨激活兩個不同的反應(yīng),催化劑X催化底物A和B反應(yīng)得到中間體C,而催化劑Y催化中間體C和試劑R反應(yīng)得到產(chǎn)品D。催化劑必須在反應(yīng)開始時加入。在獨立串聯(lián)催化作用下,第一個催化反應(yīng)生成中間體C,隨后的催化循環(huán)進行。獨立串聯(lián)催化操作效率高,但也有一定的缺陷,如催化劑的使用效率低,催化劑的回收難度高,此外還存在一個催化劑和其他催化循環(huán)的負(fù)相互作用的可能性。這是一個獨立串聯(lián)催化的例子[6]。第一階段釕催化劑激活了丙炔醇與丙酮的取代反應(yīng)得到炔酮A,隨后PtCl2催化A炔基化,其次二酮B分子內(nèi)環(huán)化得到呋喃衍生物。這些反應(yīng)是在兩種催化劑同時存在下先后發(fā)生的,反應(yīng)中間體A和B是獨立的。
2.2輔助串聯(lián)催化
“輔助串聯(lián)催化”僅使用一種催化劑,第一個催化循環(huán)完成后加入化學(xué)觸發(fā)劑改變催化劑的種類并開始第二個催化循環(huán)。
在第一個催化循環(huán)階段,催化劑X激活底物A和B生產(chǎn)中間體C,反應(yīng)完成后,催化劑X在引發(fā)劑T的作用下變?yōu)榇呋瘎1,然后新生成的催化劑X1促進另一反應(yīng)得到產(chǎn)品D。因此,催化劑X的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)被引發(fā)劑T改變,以兩種不同的形式存在。在原則上,在這種催化作用下,兩個催化循環(huán)不能同時進行,因為這兩個不同的催化物質(zhì)不能共存;因此負(fù)相互作用在這個催化劑和其他催化劑或反應(yīng)之間是最小的,然而操作的簡單性低于其他反應(yīng),因為完成監(jiān)測第一次轉(zhuǎn)型和化學(xué)引發(fā)劑的加入是必要的。
3 小結(jié)
近年來,串聯(lián)催化反應(yīng)的研究取得了很大的進展,越來越多的關(guān)于獨立串聯(lián)與輔助串聯(lián)催化反應(yīng)的研究被報道,更加高效、高選擇性、與環(huán)境友好型的綠色化學(xué)策略,已成為現(xiàn)代有機化學(xué)發(fā)展的必然趨勢。對于有機合成化學(xué)家們來說,目前最大的挑戰(zhàn)可能就是尋求更加優(yōu)越的合成方法與反應(yīng)以得到目標(biāo)產(chǎn)物。
參考文獻
[1]錢榮,硫酸催化的有機化學(xué)反應(yīng)[J].試題與研究:教學(xué)論壇,2011,31(4):55-60.
[2]羅佗平,有機化學(xué)中的多米諾反應(yīng)[J].有機化學(xué),2004.8:19(4)
[3]D. E. Fogg,E. N. dos Santos,Coord. Chem. Rev. 2004,248,2365-2379.
[4]J.-C. Wasilke,S. J. Obrey,R. T. Baler,G. C. Bazan,Chem. Rev. 2005,105,1001-1020.
[5]Y. Nishibayashi,M. Yoshikawa,Y. Inada,M. D. Milton,M. Hidai,S.Uemura,Angew. Chem. 2003,115,2785-2788;Angew. Chem. Int.Ed. 2003,42,2681-2684.