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1、烯烃复分解反应催化剂及其应烯烃复分解反应催化剂及其应用简介用简介Seminar I2006 04 06n n复分解复分解-metathesis前言前言交换交换 位置位置“舞伴交换舞伴交换”前言前言 合成出实用的合成出实用的金属卡宾催化剂金属卡宾催化剂烯烃复分解烯烃复分解反应的意义反应的意义催化剂演变、催化剂演变、存在问题及展望存在问题及展望应用举例应用举例提出反应机理提出反应机理05 Nobel Prize n烯烃复分解反应的意义烯烃复分解反应的意义n催化剂演变、存在问题及展望催化剂演变、存在问题及展望n应用举例应用举例n烯烃复分解反应的意义烯烃复分解反应的意义n催化剂演变、存在问题及展望催化
2、剂演变、存在问题及展望n应用举例应用举例烯烃复分解反应的意义烯烃复分解反应的意义 背景背景有机反应本质：有机反应本质：C-CC-C键的增减键的增减及相应官能团的修饰；及相应官能团的修饰；从热力学上讲前者比较困难，是合成当中从热力学上讲前者比较困难，是合成当中核心问题核心问题和关键步骤；和关键步骤；常规形成碳碳键的方法：常规形成碳碳键的方法：常规形成碳碳键的方法：常规形成碳碳键的方法：DielsDiels-Alder-Alder反应（周环加成）反应（周环加成）反应（周环加成）反应（周环加成）烯烃热聚（自由基型）烯烃热聚（自由基型）烯烃热聚（自由基型）烯烃热聚（自由基型）Aldol 缩合缩合/Fr
3、iedek-Carfts反应反应/Grignard反应反应 /Wittig 反应等反应等 Pd/Ni催化交联催化交联 方法种种，各需特定条件，适用范围窄。对一些方法种种，各需特定条件，适用范围窄。对一些复杂天然产物、重要药物及重要酶抑制剂结构的复杂天然产物、重要药物及重要酶抑制剂结构的修饰改造；传统构造修饰改造；传统构造C-CC-C键方法颇显苍白无力。键方法颇显苍白无力。烯烃、炔烃烯烃、炔烃及金属有机及金属有机物与卤代烃物与卤代烃在在Pd/Ni催化催化下交联。下交联。M=Hg,Cu,Al,B,Snn打破了通常意义下碳碳双键化学惰性难以打破了通常意义下碳碳双键化学惰性难以改造的固有模式，并且可改
4、造的固有模式，并且可任意构造碳碳双任意构造碳碳双键。键。n是制备功能高分子材料重要方法之一是制备功能高分子材料重要方法之一。意义意义n烯烃复分解反应的意义烯烃复分解反应的意义n催化剂演变、存在问题及展望催化剂演变、存在问题及展望n应用举例应用举例烯烃复分解反应问世及相关催化剂烯烃复分解反应问世及相关催化剂n19571957年美国年美国Standard oil公司和公司和DuPont公司分别发公司分别发现了现了丙烯岐化丙烯岐化反应反应(MoO(MoO3 3/Al/Al2 2O O3 3Al-(Al-(i i-C-C4 4H H9 9)和和降冰降冰片烯聚合片烯聚合反应反应(MoO(MoO3 3/A
5、l/Al2 2O O3 3-LiAl-LiAl4 4)；n催化剂：含催化剂：含M M、W W或或ReRe氧化物的多相催化剂；使用氧化物的多相催化剂；使用条件苛刻，寿命很低。条件苛刻，寿命很低。对反应本质及催化剂作用机制缺乏正确认识。对反应本质及催化剂作用机制缺乏正确认识。n19711971年年Yves Chauvin Yves Chauvin 创造性地提出创造性地提出金属卡宾催化金属卡宾催化的金属四元杂环机理的金属四元杂环机理-烯烃分子碳碳双键在金属烯烃分子碳碳双键在金属卡宾作用下发生断裂重组过程卡宾作用下发生断裂重组过程。n19751975年年 SchrockSchrock、GrubbsGr
6、ubbs及及KatzKatz等人通过实验验等人通过实验验证了这一机理，使真正在分子水平上研究该反应证了这一机理，使真正在分子水平上研究该反应成为了可能。成为了可能。第一个明确、有用的催化剂第一个明确、有用的催化剂nSchrockSchrock小组历时十余年，小组历时十余年，于于19901990年开发出以为代年开发出以为代表的表的SchrockSchrock均相均相 催化剂（已商品化）。催化剂（已商品化）。*催化剂组分单一，便于考察催化剂结构与其催化催化剂组分单一，便于考察催化剂结构与其催化 活性的关系。活性的关系。*烷氧基配体对催化剂活性有着至关重要的作用。烷氧基配体对催化剂活性有着至关重要的
7、作用。手性催化剂手性催化剂动力学拆分动力学拆分手性合成手性合成 La,D.S.;Alexander,J.B.;Cefalo,D.R.;Graf,D.D.;Hoveyda,A.H.;Schrock,R.R.J.Am.Chem.Soc.1998,120,9720-9721;Sattely,E.S.;Cortez,G.A.;Moebius,D.C.;Schrock,R.R.;Hoveyda A.H.J.Am.Chem.Soc,2005,127,8526-8533SchrockSchrock催化剂应用催化剂应用副产品副产品简单烯烃简单烯烃原子经济原子经济第一个具有普适意义的催化剂第一个具有普适意义的催
8、化剂nGrubbsGrubbs小组于小组于19921992年报道了卡宾配位钌化合物。牺牲了部年报道了卡宾配位钌化合物。牺牲了部分活性，但提高了选择性，耐氧，可在质子溶剂中使用。分活性，但提高了选择性，耐氧，可在质子溶剂中使用。n以以-PCy-PCy3 3代替代替-PPh-PPh3 3 ，活性剂选择性均有提高，已成为评价活性剂选择性均有提高，已成为评价其它催化剂的一种标准。其它催化剂的一种标准。n催化剂活性与其催化剂活性与其-PCy-PCy3 3解离生成高活性单瞵解离生成高活性单瞵RuRu的解离能力的解离能力有关。以含氮杂环配体取代其中一个有关。以含氮杂环配体取代其中一个-PCy-PCy3,3,
9、活性热稳定性活性热稳定性均大大提高均大大提高(第二代第二代GrubbsGrubbs催化剂催化剂)。使用最广泛使用最广泛工业催化工业催化Huang,J.;Stevens,E.D.;Nolan,S.P.;Petersen,J.L.J.Am.Chem.Soc.1999,121,2674-2678.Scholl,M.;Trnka,T.M.;Morgan,J.P.;Grubbs,R.H.Tetrahedron Lett.1999,40,2247-2250.SchrockSchrock和和GrubbsGrubbs催化剂优缺点之比较催化剂优缺点之比较nSchrockSchrock催化剂催化剂 优点：活性高，
10、底物广（优点：活性高，底物广（空间效应空间效应和电子效应和电子效应）。）。缺点：对水、氧及溶剂中痕量杂质都很敏感，缺点：对水、氧及溶剂中痕量杂质都很敏感，不易储存，底物中羟基不易储存，底物中羟基/羰基使之中毒。羰基使之中毒。nGrubbsGrubbs催化剂催化剂 优点：耐质子，稳定，底物更为广泛。优点：耐质子，稳定，底物更为广泛。缺点：底物中的氨基会使催化剂中毒缺点：底物中的氨基会使催化剂中毒。Grubbs催化剂的发展nHoveydaHoveyda研究开发出了研究开发出了氧螯氧螯合苯亚甲基合苯亚甲基 的的N N-杂环卡宾钌络合物催化剂。杂环卡宾钌络合物催化剂。nGrubbsGrubbs等人相继
11、开发出水溶性等人相继开发出水溶性 催化剂催化剂 与水溶性产物分离？与水溶性产物分离？易分离易分离Cossy,J.;Bargiggia,F.;BouzBouz,S.Org.Lett.2003,5,459-462.Lynn,D.M.;Kanoaka,S.;Grubbs,R.H.J.Am.Chem.Soc.2001,123,3187-3193.Lynn,D.M.;Mohr,B.;Grubbs,R.H.;Henling,L.M.;Day,M.W.J.Am.Chem.Soc.2000,122,6601-6609.Gallivan,J.P.;Jordan,J.P.;Grubbs,R.H.Tetrahedr
12、on Lett.2005,46,2577-2580溶于水、甲苯、二氯甲烷等溶于水、甲苯、二氯甲烷等但不溶于乙醚但不溶于乙醚n离子液体引入离子液体引入 YaoYaoYaoYao,Q.W.,Q.W.,Q.W.,Q.W.等以等以等以等以HoveydaHoveydaHoveydaHoveyda-GrubbsGrubbs催化剂为基础，催化剂为基础，将将离子液体引入。离子液体引入。离子液体引入。离子液体引入。保留了保留了 原有原有原有原有优点。此外，优点。此外，催化剂催化剂 易分离，循环使用易分离，循环使用1717次活次活性损失不多性损失不多.Yao,Q.W.;Sheets,M.J.Organomet.C
13、hem.2005,690,35773584复分解催化剂存在问题及展望复分解催化剂存在问题及展望n n存在问题存在问题 底物位阻底物位阻-对四取代烯烃交叉复分解反应及对四取代烯烃交叉复分解反应及桶稀开环聚合不能有效实现；桶稀开环聚合不能有效实现；立体化学问题尚无普遍规律可循立体化学问题尚无普遍规律可循-催化不对催化不对称转化、产物顺反异构体的选择性控制；称转化、产物顺反异构体的选择性控制；不耐碱不耐碱-氨基、氰基易使钌催化体系中毒；氨基、氰基易使钌催化体系中毒；工业应用工业应用尚很少。尚很少。n nn展望展望展望展望 基础研究能否进一步突破，解决催化剂的基础研究能否进一步突破，解决催化剂的基础研
14、究能否进一步突破，解决催化剂的基础研究能否进一步突破，解决催化剂的 效率、选择性效率、选择性效率、选择性效率、选择性等方面的问题。等方面的问题。等方面的问题。等方面的问题。催化剂本身改造：催化剂本身改造：催化剂本身改造：催化剂本身改造：配体修饰配体修饰配体修饰配体修饰 催化体系适当改变：催化剂催化体系适当改变：催化剂催化体系适当改变：催化剂催化体系适当改变：催化剂/底物底物底物底物固载固载固载固载；助助助助 催化剂催化剂催化剂催化剂加入等。加入等。加入等。加入等。n烯烃复分解反应的意义烯烃复分解反应的意义n催化剂演变、存在问题及展望催化剂演变、存在问题及展望n应用举例应用举例鞘胺醇（鞘胺醇（s
15、phingoine）类似物的制备类似物的制备 大大简化了大大简化了合成步骤合成步骤Nussbaumer,P.;Ettmayer,P.;Carsten,P.;Rosenbeiger,D.;Hogenauer K.Chem.Commun.,2005,50865087.sphingoine是是体内合成体内合成鞘脂类最主要的底物，鞘脂类最主要的底物，本身也有重要的生理功本身也有重要的生理功能，可参与肿瘤侵袭、能，可参与肿瘤侵袭、热休克反应和遗传毒性热休克反应和遗传毒性应激反应等。应激反应等。鞘胺醇鞘胺醇Vitamin DVitamin D3 3类似物合成类似物合成nI I为为Vitamin DVita
16、min DVitamin DVitamin D3 3 3 3活性代活性代谢产物谢产物,可调节体内钙可调节体内钙和磷的动态平衡，参和磷的动态平衡，参与细胞增殖、识别等与细胞增殖、识别等重要功能，可作为重要功能，可作为牛牛牛牛皮癣、白血病及肿瘤皮癣、白血病及肿瘤皮癣、白血病及肿瘤皮癣、白血病及肿瘤的治疗药物。的治疗药物。nI I直接作为药物时，有直接作为药物时，有较强的较强的血钙过高副作血钙过高副作用用，对，对I I进行适当修饰，进行适当修饰，则可明显改善。则可明显改善。代谢代谢No reaction!Why?No reaction!Why?I I合成方法合成方法commercialWojtkie
17、lewicz,A.;Morzycki,J.W.Org.Lett.2006,8,*839-842.Ahmed,M.;Atkinson,C.E.;Barrett,A.G.M.;Malagu,K.;Procopiou,P.A.Org.Lett.2003,5,669-672.抗癌新药抗癌新药Epothilone的化学合成的化学合成nEpothilone(埃埃坡霉素坡霉素)：微生物粘细菌产：微生物粘细菌产生生 的一新型天然细的一新型天然细胞毒性化合物胞毒性化合物 ；其；其抗肿瘤机制与紫杉醇抗肿瘤机制与紫杉醇相似，但结构相似，但结构相对简相对简单单,水溶性较好，副水溶性较好，副作用很小，具有更强作用很小，
18、具有更强的抑瘤作用的抑瘤作用。Biswas,K.;Lin,H.;Njardarson,J.T.;Chappell,M.D.;Chou,T.C.;Guan,Y.B.;Tong,W.P.;He,L.F.;Horwitz,S.B.;Danishefsky,S.J.J.Am.Chem.Soc,2002,124,9825-9832总结总结n大大缩短了有机合成的步骤，提高了大大缩短了有机合成的步骤，提高了效率；效率；n大大丰富了有机化学家改造碳骨架的大大丰富了有机化学家改造碳骨架的手段，甚至可以手段，甚至可以“随心所欲随心所欲”地改造地改造分子；分子；“他们的成果本身非常重要，更重要他们的成果本身非常重要
19、，更重要的是这一成果在生产生活领域有着极的是这一成果在生产生活领域有着极其广泛的应用，他们的成果推动了有其广泛的应用，他们的成果推动了有机化学和高分子化学的发展，每天都机化学和高分子化学的发展，每天都惠及人类。惠及人类。”-戴立信戴立信 院院士士参考文献参考文献1 La,D.S.;Alexander,J.B.;Cefalo,D.R.;Graf,D.D.;Hoveyda,A.H.;Schrock,R.R.J.Am.Chem.Soc.1998,120,9720-9721.2 Sattely,E.S.;Cortez,G.A.;Moebius,D.C.;Schrock,R.R.;Hoveyda,A.H
20、.J.Am.Chem.Soc,2005,127,8526-8533 3 Huang,J.;Stevens,E.D.;Nolan,S.P.;Petersen,J.L.J.Am.Chem.Soc.1999,121,2674-2678.4 Scholl,M.;Trnka,T.M.;Morgan,J.P.;Grubbs,R.H.Tetrahedron Lett.1999,40,2247-2250.5 Cossy,J.;Bargiggia,F.;BouzBouz,S.Org.Lett.2003,5,459-462.6 Lynn,D.M.;Kanoaka,S.;Grubbs,R.H.J.Am.Chem.S
21、oc.2001,123,3187-3193.7 Lynn,D.M.;Mohr,B.;Grubbs,R.H.;Henling,L.M.;Day,M.W.J.Am.Chem.Soc.2000,122,6601-6609.11 Gallivan,J.P.;Jordan,J.P.;Grubbs,R.H.Tetrahedron Lett.2005,46,2577-2580.12 Yao,Q.W.;Sheets,M.J.Organomet.Chem.2005,690,3577358413 Nussbaumer,P.;Ettmayer,P.;Carsten,P.;Rosenbeiger,D.;Hogenau
22、er K.Chem.Commun.,2005,50865087.14 Wojtkielewicz,A.;Morzycki,J.W.Org.Lett.2006,8,839-842.17 Ahmed,M.;Atkinson,C.E.;Barrett,A.G.M.;Malagu,K.;Procopiou,P.A.Org.Lett.2003,5,669-672.18 Biswas,K.;Lin,H.;Njardarson,J.T.;Chappell,M.D.;Chou,T.C.;Guan,Y.B.;Tong,W.P.;19 He,L.F.;Horwitz,S.B.;Danishefsky,S.J.J.Am.Chem.Soc,2002,124,9825-9832.谢谢谢谢