鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用研究進(jìn)展
沈水珠, 張未星
(浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系,浙江杭州310027)
摘 要:綜述了鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用研究,從鎂在元素周期表的位置和電子構(gòu)型詳細(xì)講述了鎂作為催化劑和格氏試劑對有機(jī)合成的影響。催化劑從催化活性物質(zhì),催化劑載體,助催化劑的角度進(jìn)行論述,格氏試劑主要論述了典型的反應(yīng)類型,最后對鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞:鎂;催化劑;格氏試劑;應(yīng)用
中圖分類號:TQ 262.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:0367-6358(2012)01-0060-05
鎂,無論從環(huán)境角度還是材料方面越來越受到國內(nèi)外工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的關(guān)注,如鎂合金做新型材料,氫氧化鎂阻燃劑等。但是近年來學(xué)術(shù)界逐漸把重點轉(zhuǎn)向鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用。鎂在自然界中的豐度位居第七位,位于元素周期表第三周期IIA族,屬于堿土金屬元素。鎂的電子層排布為1s22s22p63s2,電荷半徑之比為3,是所有堿土金屬中電荷半徑之比最高的,因此Mg2+形成共價鍵的傾向很大;另外Mg2+由于離子半徑較小,傾向于形成高配位數(shù)的配合物。鎂的獨特外層電子構(gòu)型,具有較強(qiáng)的活潑性,可以與親電試劑發(fā)生加成反應(yīng),還能還原多種官能團(tuán),生成新的碳-碳鍵,它還可以促進(jìn)加成、還原、偶聯(lián)等反應(yīng)。此外鎂與過渡金屬鋅,錳,銦等離子半徑非常接近,而Zn2+、Mn2+和In3+作為過渡金屬Lewis酸催化劑已用于許多有機(jī)反應(yīng)中,特別在不對稱催化反應(yīng)中得到了很好的應(yīng)用,相似相近原則,引起了許多化學(xué)家對Lewis酸性的鎂催化有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的研究興趣。雖然鎂參與的反應(yīng)通常有少量副反應(yīng)發(fā)生,但是它的廉價、安全,反應(yīng)條件溫和,具有很強(qiáng)的實用性?；瘜W(xué)家們已經(jīng)深刻的認(rèn)識到在有機(jī)合成中應(yīng)用鎂有著許多的優(yōu)點,比如鎂的豐度比較高,價廉物美,提高有機(jī)合成的收率,解決其他金屬應(yīng)用于有機(jī)合成引起的污染。從鎂的發(fā)展趨勢上看,鎂特有的物理、化學(xué)性質(zhì)使其在有機(jī)合成化學(xué)、綠色化學(xué)、生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究必將得到廣泛的應(yīng)用。鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用主要集中在兩個方面:催化劑和格氏試劑。
1 鎂在有機(jī)合成中作催化劑
隨著人們對生活質(zhì)量要求的提高,人們開始關(guān)注各個行業(yè)的環(huán)境污染問題,有機(jī)合成作為化工行業(yè)的主要存在形式對環(huán)境的污染是巨大的,如何解決有機(jī)合成的環(huán)境污染問題成了人們關(guān)注的重點。據(jù)我們了解有機(jī)合成所需要的催化劑以過渡金屬為主,但是過渡金屬存在的問題是污染嚴(yán)重,回收利用困難,而相比于過渡金屬,鎂回收利用率高,污染小。近年來環(huán)境友好的離子液體有機(jī)反應(yīng)和催化劑迅速發(fā)展,鎂在有機(jī)合成中作為催化劑被提上日程。
鎂在有機(jī)合成中作催化劑包括催化劑活性物質(zhì),催化劑載體,助催化劑。
1.1 催化劑活性物質(zhì)
人們利用催化劑,可以改變化學(xué)反應(yīng)的速率,這被稱為催化劑。催化劑的廣泛定義中包含了催化活性物質(zhì),助催化劑,和催化劑載體三個部分,其中催化活性物質(zhì)才是真正的催化劑。Mg2+作為催化活性物質(zhì)漸漸的被應(yīng)用于有機(jī)合成。烯酮[1]是許多天然產(chǎn)物的基本單元,是生產(chǎn)香料、藥品、功能材料的原料和中間體,在有機(jī)合成中烯酮占有重要的位置。烯酮的合成方法主要有兩種,一個是烯醇的氧化,另一個是烯烴的烯丙位氧化。但是由于前者存在不穩(wěn)定,制備過程復(fù)雜,而后者的選擇性高,因此烯烴的烯丙位氧化是最理想的合成方法。Min Yang等[2]報道了以紫羅蘭酮為原料進(jìn)行烯丙位氧化合成烯酮,如scheme 1所示。作者以乙腈為溶劑,氧化劑為tBuOOH(叔丁基過氧化氫),溫度為60~70℃,以Mg2+為催化劑使α-紫羅蘭酮烯丙位氧化,收率最高可達(dá)66%。此反應(yīng)與用過渡金屬做催化劑相比,具有反應(yīng)時間短,采用無毒價廉催化劑,氧化劑用量少,環(huán)境無污染等優(yōu)點。此外鎂離子與有機(jī)物形成配合物也是催化有機(jī)合成的另一種重要方式。1,1′-聯(lián)二萘酚(BINOL)是一類廣泛使用的手性雙羥基配體,可以與眾多金屬配合,用于不對稱催化反應(yīng)。杜海峰[3]采用BINOL-Mg作為手性Lewis酸可以高效、高對映選擇性地催化雜DA反應(yīng)。在成功地開發(fā)了Mg作為路易斯酸催化的雜DA反應(yīng)后,Bao等[4]考慮到手性BONL-Mg配合物所具有的強(qiáng)Lewis酸性和親氧性,運用此類催化劑有實現(xiàn)了胺類化合物對環(huán)氧化合物的不對稱開環(huán)反應(yīng),其中胺的種類包括芳香胺和脂肪胺。
1.2 催化劑載體
載體是催化活性物質(zhì)和助催化劑的支持體或分散體,使用載體可以使催化劑中催化活性物質(zhì)和助催化劑的含量可以降低。載體的作用是增加催化活性物質(zhì)的比表面,抑制微晶生長,使催化劑有足夠孔隙度,增大機(jī)械強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性,比熱容和熱導(dǎo)率等,從而延長催化劑的壽命。催化劑若只含催化活性物質(zhì),一般來說抗積炭性能較差,并且活性組分會緩慢聚集成晶狀物或與載體形成共熔體,使催化劑活性中心減少,適宜的催化劑載體可以改善這個情況。
甲烷二氧化碳重整為高溫反應(yīng),原料中C/H比很高,因此反應(yīng)過程中的燒結(jié)和碳污染會導(dǎo)致催化劑失活。Michael[5]等考察了不同載體的鎳催化劑Ni/CaO、Ni/MgO、Ni/CeO2的反應(yīng)性能,發(fā)現(xiàn)三種催化劑顯示了相似的甲烷部分氧化的活性和選擇性,但是他們抗積炭性能相差很大,其中以MgO為載體時抗積炭性能最好。
1.3 助催化劑
在催化劑中加入的某些物質(zhì),本身不具活性或活性很小的物質(zhì),但能改變催化劑的部分性質(zhì),如化學(xué)組成、離子價態(tài)、酸堿性、表面結(jié)構(gòu)、晶粒大小等,從而使催化劑的活性、選擇性、抗毒性或穩(wěn)定性得以改善,這樣的物質(zhì)叫助催化劑。欒得志等[6]以乙醇和乙二胺為原料合成了N-二乙基乙二胺,如scheme 2所示,作者采用了Cu/Al2O3為催化劑,產(chǎn)品的收率為8.95%;但是作者用鎂做助催化劑,產(chǎn)品的選擇性提高到了93. 62%,產(chǎn)率達(dá)到了69·86%。Mg的引入有效的分散了催化劑活性物質(zhì)的分布,提高了整個催化劑的活性和選擇性。在這個過程中鎂發(fā)揮的并不是催化作用,而是使銅這個催化活性物質(zhì)得到有效的分散。
2 在有機(jī)合成中做格氏試劑
在有機(jī)合成上,有一個非常重要的試劑稱之為格林雅(Grignard)試劑[7],其結(jié)構(gòu)式為RMgX,簡稱格氏試劑。格氏試劑的烴基帶有負(fù)電性,有著很強(qiáng)的親核性和堿性。作為一個堿性試劑,它能與含活潑氫的化合物發(fā)生酸堿反應(yīng),也可以使三級鹵代烴發(fā)生消除反應(yīng);作為一個親核性試劑,它可以參與親
核取代或加成反應(yīng)
2.1 與含活潑氫的化合物反應(yīng)
格氏試劑與含活潑氫的化合物反應(yīng)生成烴。格氏試劑與活潑氫的反應(yīng)簡單實用,可以用于定量測定體系中的水含量,合成純凈的烴等。此外格氏試劑與重水反應(yīng),使C-Mg鍵變成C-D鍵,這是化合物中引入同位素的一種方法。
當(dāng)然格氏試劑與活潑氫的反應(yīng)也不僅僅停留在簡單反應(yīng)上,Quan[8]等以鈷為催化劑,鄰苯二甲酸甲酯(DMPU )為螯合劑,芳香酰胺化合物與格氏試劑發(fā)生活潑氫的取代反應(yīng),如Scheme 3所示。當(dāng)R為烷基烴時,b為主要產(chǎn)物,收率達(dá)到79%;R為芳香烴時,a為主要產(chǎn)物,收率大52%。
2.2 與極性重鍵的加成反應(yīng)
格氏試劑與含極性雙鍵或三鍵的化合物發(fā)生反應(yīng),加成時RMgX的R加到電負(fù)性較小的不飽和原子上,MgX部分則加到電負(fù)性較大的不飽和原子上。
極性重鍵的類型很多,其中羰基是應(yīng)用最廣泛的。利用醛、酮與格氏試劑反應(yīng)是制備醇的一個重要手段[9],酰氯與格氏試劑反應(yīng)合成酮的例子不多,因為酮一旦生成立即繼續(xù)與格氏試劑反應(yīng)生成醇。與格氏試劑起反應(yīng)的不飽和官能團(tuán)中,腈基的反應(yīng)性能最差,通常需較高的反應(yīng)溫度,其加成產(chǎn)物亞胺鹽不再進(jìn)一步反應(yīng),但水解亦可得酮。格氏試劑與環(huán)氧化合物的反應(yīng)也劃分為與極性重鍵的類型,因為環(huán)氧鍵的斷裂加成和羰基化合物的加成機(jī)理是一致的。格氏試劑不與非極性C=C作用,但是與C=C與C=O形成的共軛體系,則可以發(fā)生C=O的1,2加成和C=C及C=O的1,4加成。
當(dāng)然不飽和鍵不僅僅局限在碳羰基的加成,最近的Toshiaki[10]利用硫代甲酰胺制取三級胺化合物,如scheme 4所示。作者以二氯乙烷為溶劑,把格氏試劑加成到硫代酰胺,得到了胺b和胺c。其中主要產(chǎn)物b的產(chǎn)率可以達(dá)到75%。
格氏試劑與極性重鍵的加成另一個重要應(yīng)用主要用于有機(jī)合成中的手性合成。手性化合物最早由是外消旋的thalidomide[11]這個典型例子引起人們的廣泛重視,(S)-thalidomide會引起嬰兒畸形,而(R)-thalidomide即使高劑量也不會引起畸形并且可以有效的抑制孕婦的妊娠反應(yīng),這個事例引起了化學(xué)家們對手性化合物的重視并投入了大量的人力,物力和財力去研究,尤其是光學(xué)純手性藥物。早期手性化合物的制備主要通過拆分得到,但是拆分因為工作量大而被淘汰,直接在反應(yīng)過程中制取手性化合物是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。手性醇的制備通常在化學(xué)計量的手性試劑誘導(dǎo)下,金屬有機(jī)試劑對羰基化合物的立體選擇性來完成。
Liu[12]等利用格氏試劑的高反應(yīng)性使之直接與醛發(fā)生立體選擇反應(yīng)。格氏試劑與2-N,N-二甲基乙基醚(BDMAEE)混合,(S)-BINOL-Ti-(OiPr)2為催化劑,BDMAEE螯合物可以使RMgBr和Mg(OiPr)Br達(dá)到Schlenk[13]平衡方程,因此Mg鹽可以有效的抑制副反應(yīng),挺高手性產(chǎn)物的競爭性,如Scheme 5所示。其中烷基醇的立體選擇性達(dá)到99%,收率為93%,芳基化合物立體選擇性為97%。
2.3 偶聯(lián)反應(yīng)
偶聯(lián)反應(yīng)是由兩個有機(jī)化學(xué)單位進(jìn)行某種化學(xué)反應(yīng)而得到一個有機(jī)分子的過程,這里的化學(xué)反應(yīng)包括鋰試劑與親電體的反應(yīng),芳環(huán)上的親電和親核反應(yīng),以及鈉存在下的Wutz反應(yīng)格氏試劑與親電體的反應(yīng)以及格氏試劑促進(jìn)的偶聯(lián)反應(yīng),格氏試劑促進(jìn)的偶聯(lián)反應(yīng)[14]為交叉偶聯(lián)反應(yīng)提供了一個新穎的合成方法。1971年,Kochi[15]等作了一個先驅(qū)性的報道,發(fā)現(xiàn)烯基鹵代烴能夠與烷基格氏試劑在催化量的FeX3存在下立體專一性的發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng),烯烴的順反構(gòu)型保持不變。通過優(yōu)化溶劑和降低反應(yīng)的溫度,可以把反應(yīng)底物擴(kuò)展到芳基格氏試劑。Takuji[16]等報道了鈀的配合物催化的芳香溴化物或碘化物與格氏試劑的交叉偶聯(lián)反應(yīng),此反應(yīng)催化劑易回收,重復(fù)利用多次后催化活性沒有降低,為碳-碳鍵的形成提供了一個簡單高效的方法。Ilies[17]提出了芳香格氏試劑與雜環(huán)化合物如吡啶類立體取代制備偶氮化合物,作者把二乙醚和PhMgBr混合在1,2-二氯-2-甲基丙烷,Fe(acac)3為催化劑,4,4-二-叔丁基聯(lián)吡啶為螯合劑進(jìn)行反應(yīng),收率達(dá)到91%,E∶Z=3∶97,如Scheme 6所示,此反應(yīng)基本沒有異構(gòu)體,也打破了格氏試劑的偶聯(lián)反應(yīng)只發(fā)生在的單一的碳?xì)浠衔锏母窬帧?/span>
2.4 Barbier反應(yīng)
格氏試劑的缺點是制備費時困難,要求嚴(yán)格無水。Barbier在Gringnard的啟發(fā)下,改進(jìn)了格氏試劑,我們稱之為Barbier-type反應(yīng),此反應(yīng)允許在含水條件下進(jìn)行,免除了格氏試劑無水條件的苛刻要求。各種金屬參與的水相Barbier反應(yīng)已有綜述報道[18-20],鎂也很早就被證明了是一種很好的有機(jī)相Barbier試劑,但Barbier反應(yīng)并不簡單的等同于格式反應(yīng),Molle[21]等曾經(jīng)提出,在有機(jī)相鎂參與的Barbier反應(yīng)中,存在著自由基和Grignard反應(yīng)的競爭。烯醇類化合物由于存在互變異構(gòu)十分不穩(wěn)定,制備更是困難。Johan[22]利用苯甲醛與1-碘-丙烯在鎂存在的條件下,如Scheme 7所示,鎂的存在是反映產(chǎn)生苯甲醛陰離子,得到2-羥基苯丁烯,收率達(dá)到49%,而烯醇化反應(yīng)在格氏試劑條件是很難發(fā)生的。
2.5 其他反應(yīng)
其實鎂除了作為格氏試劑參與有機(jī)合成外,還以其它的形式參與有機(jī)合成,如鎂與甲醇構(gòu)成一個還原體系,可以使多種官能團(tuán)如-C=N,C=C,NO2,X等得以還原,而且反應(yīng)具有高度選擇性,一般不還原羰基,腈基等官能團(tuán)。典型的例子有Schiff堿加氫還原反應(yīng),我們一般采用伯胺與醛或酮反應(yīng)制備Schiff堿,得到的一般的亞胺不夠穩(wěn)定,但碳-氮雙鍵上的碳原子或氮原子連有一個或一個以上的芳基時則是穩(wěn)定的化合物。Micovic[23]報道,在Mg/MeOH作用下,C=N鍵被還原,此研究提供了一種制備仲胺的簡便新方法。Peng[24]等發(fā)現(xiàn),某些二元醇與金屬鎂反應(yīng)后再經(jīng)高溫分解,發(fā)生脫水消除反應(yīng),產(chǎn)物為環(huán)醚和末端為雙鍵的一元醇。更有某些砜與Mg/MeOH反應(yīng)[25]時,硫?；l(fā)生消除反應(yīng),生成C=C雙鍵。其實鎂參與的有機(jī)合成反應(yīng)數(shù)不勝數(shù),格氏試劑是最重要的一種參與方式。
2 總結(jié)與展望
本文簡要介紹了鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用,概述了鎂作為催化劑和格氏試劑對有機(jī)合成的影響和應(yīng)用。近年來有機(jī)合成是我們化工行業(yè)發(fā)展的主要方向,如制藥,食品,石油等都離不開基本的有機(jī)合成反應(yīng)。通過本文對鎂在有機(jī)合成中的應(yīng)用的闡述,希望為輕金屬在有機(jī)合成的應(yīng)用開啟一扇新的大門,為改善環(huán)境污染提供有效的解決方案。
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來源：中國試劑網(wǎng)
