基本信息
- 项目名称：
- 一种新型的钯催化乙二酸酯酸钾脱羧偶联反应
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 一种基于钯催化的脱羧酯基导入方法被开发。使用廉价原料草酸单酯酸钾取代金属有机试剂，利用脱羧而在芳环上高产率的导入酯基，使得草酸单酯酸钾发展成为一种廉价，官能团兼容性好的酯基导入试剂。同时，DFT理论计算详细研究了反应机理以及过渡态能量变化。
- 详细介绍：
- 本文在合成方法学上第一次以脱羧偶联的办法实现了芳基卤化物一步到芳香酸酯的高收率，高官能团兼容性转化。具有传统合成方法所不具有的良好官能团兼容性，以及操作的安全性，试剂廉价低毒，催化量低，原子利用率高，更加符合绿色化学的原则。不但对溴和碘代芳烃，对于惰性的芳基-氯键也成功活化，该方法具有重要的工业和合成价值。同时运用DFT理论对于反应的机理以及过渡态能量变化进行了详细研究。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 发展一种新的从芳基卤化物（特别是惰性溴化物，氯化物）直接转化为芳香羧酸酯的方法，该方法较已有方法更符合绿色化学的要求且具有更广的官能团兼容性，为有机合成化学提供新的手段。
科学性、先进性及独特之处
- 本文在合成方法学上第一次以脱羧偶联的办法实现了芳基卤化物一步到芳香酸酯的高收率，高官能团兼容性转化。具有传统合成方法所不具有的良好官能团兼容性，操作安全性，试剂廉价低毒，催化量低，原子利用率高，更加符合绿色化学的原则。该方法具有重要的工业和合成价值。
应用价值和现实意义
- 芳香酸酯类化合物及其衍生物具有重要的工业以及实验室合成价值。传统的芳香酸酯合成方法存在试剂毒性高，官能团兼容性较差，试剂价格昂贵，对空气和湿敏感，难于大规模制备等诸多缺陷。 近期，基于脱羧而形成化学键的反应方法在方法学领域被广泛关注，我们发展了一种新的基于脱羧偶联的酯基导入法。具有前人方法所不具有的诸多优势。该方法不论作为实验室合成还是工业制备方法都具有极其重要的应用价值。
学术论文摘要
- 芳香羧酸酯不论在实验室全合成还是制药工业上都是非常有用的构建基元，我们发展了一种基于钯催化的脱羧酯基导入方法，使用廉价原料草酸单酯酸钾取代金属有机试剂，利用脱羧而在卤代芳环上高产率导的入酯基，使得草酸单酯酸钾发展成为一种廉价，官能团兼容性好的的酯基导入试剂。该方法成为可取代传统芳香酸酯合成法（R. Heck Carbonylation）的更加绿色经济的新方法，对有机合成工业和药物化学等领域具有重要的应用价值。同时，作者系统的研究了反应的详细机理以及过渡态的能量变化，对于理论化学机理研究也具有重要的参考价值。 本作品以实验事实和理论计算为依据，列举了20余种催化条件对反应的影响，并以最优条件为基础以三十余种带官能团的底物以实验事实为依据逐一列举了反应分离收率。证实了该方法的普适性和官能团兼容性。对于困难的芳基-氯化学键成功活化，并以实验观察及DFT理论计算为依据详细的阐述了反应的机理，以及全催化循环中每一步的能垒和过渡态构型。同时解释了配体效应的影响。以十余种底物展示了该方法对于取代氯代芳烃的适用性。
获奖情况
- 本论文已发表在国际化学领域权威杂志《美国化学会志》J .Am. Chem. Soc.上 (J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5738-5739.), 该刊物已被国际科学文献索引（SCI）权威检索收录，影响因子为8.091。 本作品荣获第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
鉴定结果
- 科技查新报告显示：目前在国内外文献中，尚未见他人报道的与本次查新项目研究内容和方法一致的报道。 JACS审稿意见 意义: 高 新颖性: 高 广泛兴趣: 高 学术表现: 高
参考文献
- (1)A recent review: Barnard, C. F. J. Organometallics 2008, 27, 5402. (2)Recent breakthroughs: (a) Munday, R.; Martinelli, J.; Buchwald, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2754. (b) Watson, D.; Fan, X.; Buchwald, S. L. J. Org. Chem. 2008, 73, 7096. (c) Martinelli, J.; Frechmann, D.; Barder, T. E.; Buchwald, S. L. J. Org. Chem. 2008, 73, 7102. (3)(a) Myers, A. G.; Tanaka, D.; Mannion, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 11250.(b) Tanaka, D.; Romeril, S.; Myers, A. G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10323. (4)Forgione, P.; Brochu, M. C.; St-Onge, M.; Thesen, K. H.; Bailey, M. D.; Bilodeau, F. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11350. (5)(a) Goossen, L. J.; Deng, G.; Levy, L. M. Science 2006, 313, 662. (b) Goossen, L. J.; Rodriguez, N.; Melzer, B.; Linder, C.; Deng, G.; Levy, L. M. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4824. (c) Goossen, L. J.; Melzer, B. J. Org. Chem. 2007, 72, 7473. (d) Goossen, L. J.; Rudolphi, F.; Oppel, C.; Rodriguez, N. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3043.
同类课题研究水平概述
- 过渡金属催化的有机反应是目前有机化学的热点之一，脱羧偶联的概念被提出后，德国科学家Goossen (Science 2006, 313, 662 )和美国科学家Myers (J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10323) 分别做出了开创性的工作，脱羧偶联能够以一种新的方式形成有机化学合成中所需要的负合成子，让稳定且廉价的羧酸代替昂贵且不稳定的金属有机试剂。 近期该领域被方法学研究的许多课题组所关注，先后在国内外高档学术杂志上发表了多篇论文。 （1）本文的工作第一次实现了在活化惰性化学键基础上的脱羧酯基导入，通过脱羧偶联的反应方法首次实现了需要使用高纯剧毒一氧化碳的Richard Heck Carbonylation反应。对于Heck Carbonylation反应是目前唯一的从芳基卤化物合成芳香酸酯的有效工业及实验室方法。自1974年被发现，多年来由于要使用高压的一氧化碳，而大大被限制了使用范围。多年来许多科学家致力于降低反应所需CO的压力。 近期的突破参考： 1.Barnard, C. F. J. Organometallics 2008, 27, 5402. 2. Munday, R.; Martinelli, J.; Buchwald, S. L. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 2754. 本研究工作第一次以脱羧的方法实现了Heck Carbonylation反应，不再需要一氧化碳，并且具有更好的官能团兼容性。 （2）第一次且实现了低催化量和相对温和条件下的单金属催化脱羧和偶联。目前的脱羧偶联反应主要是Goossen的铜-钯双金属催化脱羧偶联。我们的工作不仅催化量很低，而且实现了惰性的碳-氯键活化基础上的脱羧偶联，即钯起到同时活化卤代苯和催化脱羧的双重作用。 关于双金属催化的氯苯和芳酸的脱羧偶联参考： Goossen, L. J.; Zimmermann, B.; Knauber, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7103. 铜钯共催化的脱羧体系参见文章： (a) Goossen, L. J.; Deng, G.; Levy, L. M. Science 2006, 313, 662.
