镁在有机合成中的应用研究进展
沈水珠, 张未星
(浙江大学化学工程与生物工程学系,浙江杭州310027)
摘 要:综述了镁在有机合成中的应用研究,从镁在元素周期表的位置和电子构型详细讲述了镁作为催化剂和格氏试剂对有机合成的影响。催化剂从催化活性物质,催化剂载体,助催化剂的角度进行论述,格氏试剂主要论述了典型的反应类型,最后对镁在有机合成中的应用进行了展望。关键词:镁;催化剂;格氏试剂;应用
中图分类号:TQ 262.1 文献标志码:A
文章编号:0367-6358(2012)01-0060-05
镁,无论从环境角度还是材料方面越来越受到国内外工业界、学术界的关注,如镁合金做新型材料,氢氧化镁阻燃剂等。但是近年来学术界逐渐把重点转向镁在有机合成中的应用。镁在自然界中的丰度位居第七位,位于元素周期表第三周期IIA族,属于碱土金属元素。镁的电子层排布为1s22s22p63s2,电荷半径之比为3,是所有碱土金属中电荷半径之比最高的,因此Mg2+形成共价键的倾向很大;另外Mg2+由于离子半径较小,倾向于形成高配位数的配合物。镁的独特外层电子构型,具有较强的活泼性,可以与亲电试剂发生加成反应,还能还原多种官能团,生成新的碳-碳键,它还可以促进加成、还原、偶联等反应。此外镁与过渡金属锌,锰,铟等离子半径非常接近,而Zn2+、Mn2+和In3+作为过渡金属Lewis酸催化剂已用于许多有机反应中,特别在不对称催化反应中得到了很好的应用,相似相近原则,引起了许多化学家对Lewis酸性的镁催化有机化学反应的研究兴趣。虽然镁参与的反应通常有少量副反应发生,但是它的廉价、安全,反应条件温和,具有很强的实用性。化学家们已经深刻的认识到在有机合成中应用镁有着许多的优点,比如镁的丰度比较高,价廉物美,提高有机合成的收率,解决其他金属应用于有机合成引起的污染。从镁的发展趋势上看,镁特有的物理、化学性质使其在有机合成化学、绿色化学、生物化学等领域的研究必将得到广泛的应用。镁在有机合成中的应用主要集中在两个方面:催化剂和格氏试剂。
1 镁在有机合成中作催化剂
随着人们对生活质量要求的提高,人们开始关注各个行业的环境污染问题,有机合成作为化工行业的主要存在形式对环境的污染是巨大的,如何解决有机合成的环境污染问题成了人们关注的重点。据我们了解有机合成所需要的催化剂以过渡金属为主,但是过渡金属存在的问题是污染严重,回收利用困难,而相比于过渡金属,镁回收利用率高,污染小。近年来环境友好的离子液体有机反应和催化剂迅速发展,镁在有机合成中作为催化剂被提上日程。
镁在有机合成中作催化剂包括催化剂活性物质,催化剂载体,助催化剂。
1.1 催化剂活性物质
人们利用催化剂,可以改变化学反应的速率,这被称为催化剂。催化剂的广泛定义中包含了催化活性物质,助催化剂,和催化剂载体三个部分,其中催化活性物质才是真正的催化剂。Mg2+作为催化活性物质渐渐的被应用于有机合成。烯酮[1]是许多天然产物的基本单元,是生产香料、药品、功能材料的原料和中间体,在有机合成中烯酮占有重要的位置。烯酮的合成方法主要有两种,一个是烯醇的氧化,另一个是烯烃的烯丙位氧化。但是由于前者存在不稳定,制备过程复杂,而后者的选择性高,因此烯烃的烯丙位氧化是最理想的合成方法。Min Yang等[2]报道了以紫罗兰酮为原料进行烯丙位氧化合成烯酮,如scheme 1所示。作者以乙腈为溶剂,氧化剂为tBuOOH(叔丁基过氧化氢),温度为60~70℃,以Mg2+为催化剂使α-紫罗兰酮烯丙位氧化,收率最高可达66%。此反应与用过渡金属做催化剂相比,具有反应时间短,采用无毒价廉催化剂,氧化剂用量少,环境无污染等优点。此外镁离子与有机物形成配合物也是催化有机合成的另一种重要方式。1,1′-联二萘酚(BINOL)是一类广泛使用的手性双羟基配体,可以与众多金属配合,用于不对称催化反应。杜海峰[3]采用BINOL-Mg作为手性Lewis酸可以高效、高对映选择性地催化杂DA反应。在成功地开发了Mg作为路易斯酸催化的杂DA反应后,Bao等[4]考虑到手性BONL-Mg配合物所具有的强Lewis酸性和亲氧性,运用此类催化剂有实现了胺类化合物对环氧化合物的不对称开环反应,其中胺的种类包括芳香胺和脂肪胺。
1.2 催化剂载体
载体是催化活性物质和助催化剂的支持体或分散体,使用载体可以使催化剂中催化活性物质和助催化剂的含量可以降低。载体的作用是增加催化活性物质的比表面,抑制微晶生长,使催化剂有足够孔隙度,增大机械强度,热稳定性,比热容和热导率等,从而延长催化剂的寿命。催化剂若只含催化活性物质,一般来说抗积炭性能较差,并且活性组分会缓慢聚集成晶状物或与载体形成共熔体,使催化剂活性中心减少,适宜的催化剂载体可以改善这个情况。
甲烷二氧化碳重整为高温反应,原料中C/H比很高,因此反应过程中的烧结和碳污染会导致催化剂失活。Michael[5]等考察了不同载体的镍催化剂Ni/CaO、Ni/MgO、Ni/CeO2的反应性能,发现三种催化剂显示了相似的甲烷部分氧化的活性和选择性,但是他们抗积炭性能相差很大,其中以MgO为载体时抗积炭性能最好。
1.3 助催化剂
在催化剂中加入的某些物质,本身不具活性或活性很小的物质,但能改变催化剂的部分性质,如化学组成、离子价态、酸碱性、表面结构、晶粒大小等,从而使催化剂的活性、选择性、抗毒性或稳定性得以改善,这样的物质叫助催化剂。栾得志等[6]以乙醇和乙二胺为原料合成了N-二乙基乙二胺,如scheme 2所示,作者采用了Cu/Al2O3为催化剂,产品的收率为8.95%;但是作者用镁做助催化剂,产品的选择性提高到了93. 62%,产率达到了69·86%。Mg的引入有效的分散了催化剂活性物质的分布,提高了整个催化剂的活性和选择性。在这个过程中镁发挥的并不是催化作用,而是使铜这个催化活性物质得到有效的分散。
2 在有机合成中做格氏试剂
在有机合成上,有一个非常重要的试剂称之为格林雅(Grignard)试剂[7],其结构式为RMgX,简称格氏试剂。格氏试剂的烃基带有负电性,有着很强的亲核性和碱性。作为一个碱性试剂,它能与含活泼氢的化合物发生酸碱反应,也可以使三级卤代烃发生消除反应;作为一个亲核性试剂,它可以参与亲
核取代或加成反应
2.1 与含活泼氢的化合物反应
格氏试剂与含活泼氢的化合物反应生成烃。格氏试剂与活泼氢的反应简单实用,可以用于定量测定体系中的水含量,合成纯净的烃等。此外格氏试剂与重水反应,使C-Mg键变成C-D键,这是化合物中引入同位素的一种方法。
当然格氏试剂与活泼氢的反应也不仅仅停留在简单反应上,Quan[8]等以钴为催化剂,邻苯二甲酸甲酯(DMPU )为螯合剂,芳香酰胺化合物与格氏试剂发生活泼氢的取代反应,如Scheme 3所示。当R为烷基烃时,b为主要产物,收率达到79%;R为芳香烃时,a为主要产物,收率大52%。
2.2 与极性重键的加成反应
格氏试剂与含极性双键或三键的化合物发生反应,加成时RMgX的R加到电负性较小的不饱和原子上,MgX部分则加到电负性较大的不饱和原子上。
极性重键的类型很多,其中羰基是应用最广泛的。利用醛、酮与格氏试剂反应是制备醇的一个重要手段[9],酰氯与格氏试剂反应合成酮的例子不多,因为酮一旦生成立即继续与格氏试剂反应生成醇。与格氏试剂起反应的不饱和官能团中,腈基的反应性能最差,通常需较高的反应温度,其加成产物亚胺盐不再进一步反应,但水解亦可得酮。格氏试剂与环氧化合物的反应也划分为与极性重键的类型,因为环氧键的断裂加成和羰基化合物的加成机理是一致的。格氏试剂不与非极性C=C作用,但是与C=C与C=O形成的共轭体系,则可以发生C=O的1,2加成和C=C及C=O的1,4加成。
当然不饱和键不仅仅局限在碳羰基的加成,最近的Toshiaki[10]利用硫代甲酰胺制取三级胺化合物,如scheme 4所示。作者以二氯乙烷为溶剂,把格氏试剂加成到硫代酰胺,得到了胺b和胺c。其中主要产物b的产率可以达到75%。
格氏试剂与极性重键的加成另一个重要应用主要用于有机合成中的手性合成。手性化合物最早由是外消旋的thalidomide[11]这个典型例子引起人们的广泛重视,(S)-thalidomide会引起婴儿畸形,而(R)-thalidomide即使高剂量也不会引起畸形并且可以有效的抑制孕妇的妊娠反应,这个事例引起了化学家们对手性化合物的重视并投入了大量的人力,物力和财力去研究,尤其是光学纯手性药物。早期手性化合物的制备主要通过拆分得到,但是拆分因为工作量大而被淘汰,直接在反应过程中制取手性化合物是一种经济有效的方法。手性醇的制备通常在化学计量的手性试剂诱导下,金属有机试剂对羰基化合物的立体选择性来完成。
Liu[12]等利用格氏试剂的高反应性使之直接与醛发生立体选择反应。格氏试剂与2-N,N-二甲基乙基醚(BDMAEE)混合,(S)-BINOL-Ti-(OiPr)2为催化剂,BDMAEE螯合物可以使RMgBr和Mg(OiPr)Br达到Schlenk[13]平衡方程,因此Mg盐可以有效的抑制副反应,挺高手性产物的竞争性,如Scheme 5所示。其中烷基醇的立体选择性达到99%,收率为93%,芳基化合物立体选择性为97%。
2.3 偶联反应
偶联反应是由两个有机化学单位进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程,这里的化学反应包括锂试剂与亲电体的反应,芳环上的亲电和亲核反应,以及钠存在下的Wutz反应格氏试剂与亲电体的反应以及格氏试剂促进的偶联反应,格氏试剂促进的偶联反应[14]为交叉偶联反应提供了一个新颖的合成方法。1971年,Kochi[15]等作了一个先驱性的报道,发现烯基卤代烃能够与烷基格氏试剂在催化量的FeX3存在下立体专一性的发生交叉偶联反应,烯烃的顺反构型保持不变。通过优化溶剂和降低反应的温度,可以把反应底物扩展到芳基格氏试剂。Takuji[16]等报道了钯的配合物催化的芳香溴化物或碘化物与格氏试剂的交叉偶联反应,此反应催化剂易回收,重复利用多次后催化活性没有降低,为碳-碳键的形成提供了一个简单高效的方法。Ilies[17]提出了芳香格氏试剂与杂环化合物如吡啶类立体取代制备偶氮化合物,作者把二乙醚和PhMgBr混合在1,2-二氯-2-甲基丙烷,Fe(acac)3为催化剂,4,4-二-叔丁基联吡啶为螯合剂进行反应,收率达到91%,E∶Z=3∶97,如Scheme 6所示,此反应基本没有异构体,也打破了格氏试剂的偶联反应只发生在的单一的碳氢化合物的格局。
2.4 Barbier反应
格氏试剂的缺点是制备费时困难,要求严格无水。Barbier在Gringnard的启发下,改进了格氏试剂,我们称之为Barbier-type反应,此反应允许在含水条件下进行,免除了格氏试剂无水条件的苛刻要求。各种金属参与的水相Barbier反应已有综述报道[18-20],镁也很早就被证明了是一种很好的有机相Barbier试剂,但Barbier反应并不简单的等同于格式反应,Molle[21]等曾经提出,在有机相镁参与的Barbier反应中,存在着自由基和Grignard反应的竞争。烯醇类化合物由于存在互变异构十分不稳定,制备更是困难。Johan[22]利用苯甲醛与1-碘-丙烯在镁存在的条件下,如Scheme 7所示,镁的存在是反映产生苯甲醛阴离子,得到2-羟基苯丁烯,收率达到49%,而烯醇化反应在格氏试剂条件是很难发生的。
2.5 其他反应
其实镁除了作为格氏试剂参与有机合成外,还以其它的形式参与有机合成,如镁与甲醇构成一个还原体系,可以使多种官能团如-C=N,C=C,NO2,X等得以还原,而且反应具有高度选择性,一般不还原羰基,腈基等官能团。典型的例子有Schiff碱加氢还原反应,我们一般采用伯胺与醛或酮反应制备Schiff碱,得到的一般的亚胺不够稳定,但碳-氮双键上的碳原子或氮原子连有一个或一个以上的芳基时则是稳定的化合物。Micovic[23]报道,在Mg/MeOH作用下,C=N键被还原,此研究提供了一种制备仲胺的简便新方法。Peng[24]等发现,某些二元醇与金属镁反应后再经高温分解,发生脱水消除反应,产物为环醚和末端为双键的一元醇。更有某些砜与Mg/MeOH反应[25]时,硫酰基发生消除反应,生成C=C双键。其实镁参与的有机合成反应数不胜数,格氏试剂是最重要的一种参与方式。
2 总结与展望
本文简要介绍了镁在有机合成中的应用,概述了镁作为催化剂和格氏试剂对有机合成的影响和应用。近年来有机合成是我们化工行业发展的主要方向,如制药,食品,石油等都离不开基本的有机合成反应。通过本文对镁在有机合成中的应用的阐述,希望为轻金属在有机合成的应用开启一扇新的大门,为改善环境污染提供有效的解决方案。
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来源：中国试剂网
