求2010年诺贝尔化学奖钯催化交叉偶联反应的相关材料~会加分

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钯催化交叉偶联反应-简介
为制造复杂的有机材料，需要通过化学反应将碳原子集合在一起。但是碳原子在有机分子中与相邻原子之间的化学键往往非常稳定，不易与其他分子发生化学反应。以往的方法虽然能令碳原子更加活跃，但是，过于活跃的碳原子却又会产生大量副产物。而用钯作为催化剂则可以解决这个问题。钯原子就像“媒人”一样，把不同的碳原子吸引到自己身边，使碳原子之间的距离变得很近，容易结合——也就是“偶联”。这样的反应不需要把碳原子激活到很活跃的程度，副产物比较少，因此更加精确而GX。赫克、根岸英一和铃木章通过实验发现，碳原子会和钯原子连接在一起，进行一系列化学反应。这一技术让化学家们能够精确有效地制出他们需要的复杂化合物。
钯催化交叉偶联反应-应用
如今，“钯催化交叉偶联反应”被应用于许多物质的合成研究和工业化生产。例如合成药物紫杉醇和KY症药物萘普生，以及有机分子中一个体格特别巨大的成员——水螅毒素。科学家还尝SY这些方法改造一种抗生素——万古霉素的分子，用来灭有chao强抗药性的细菌。此外，利用这些方法合成的一些有机材料能够发光，可用于制造只有几毫米厚、像塑料薄膜一样的显示器。科学界一些人士表示，依托“钯催化交叉偶联反应”，一大批新药和工业新材料应运而生，这三名科学家的科研成果如今已经成为支撑制药、材料化学等现代工业文明的巨大力量。
药物、塑料和许多其他的工业化学品都包含有大的碳基分子，为了制造这些复杂的化学物质，化学家需要将碳原子连接在一起。不过，碳原子的稳定性很强，碳原子之间并不能够轻易发生反应。有了钯做催化剂，科学家能够在更低的温度下，使用更少的溶剂、更小的成本来制造化合物，而且反应产生的废物更少。

钯催化反应的三个发展阶段：赫克发现钯催化效应，根岸英一精炼

一、大约100年前，法国化学家维克多·格林尼亚发现，将一个镁原子同一个碳原子偶联在一起，会将额外的电子推向这个碳原子，使得它能够更容易同另外一个碳原子连接在一起。不过，科学家们发现，这样的方法在创造简单的分子时起到了效果，但是在对更为复杂的分子进行合成时，却在试管里发现了很多并不需要的副产品。

二、早在上世纪60年代，赫克就为钯催化交叉偶联反应奠定了基础，1968年，他报告了新的化学反应——赫克反应，该反应使用钯作为主要的催化剂来让碳原子连接在一起。

三、1977年，根岸英一对其成果进行了精练，他使用一种有机氯化物作为催化剂；两年后，铃木章发现使用有机硼化合物的效果会更好。

钯催化反应的应用：对制药工业举足轻重

诺贝尔化学奖委员会主席拉尔斯·哲兰德说：“有人告诉我说，目前25%的合成药品都由这三种反应中的一种制成，因此，他们的发明对制药工业具有举足轻重的影响。钯具有非常神奇的属性，它可以让两个不同的碳原子连接在一起，使得它们更靠近并且在非常温和的环境下就能发生反应。”

瑞典科学院表示，科学家已经使用钯催化交叉偶联反应人工合成了Z开始在海绵中发现的药物，目前，科学家已经开始进行临床测试。而且，科学家也使用该方法制造出了新的抗体和许多其他有用的药物，包括KY镇痛药物萘普生（NAPROXEN）等等。

在我们进入大学以前，我们对化学的Z直观的理解就是“反应”，就是那种A+B到C+D之类的原子重组过程。从这个角度看来，化学的几个主要分支中，有机化学无疑是“Z化学的化学”。其中涉及到的分子结构，有机合成，理论分析无疑对广大初级的化学专业的学生极具杀伤力。所以，如果做一个民意调查，在大一大二学生让，让他们在无机、有机、分析、物化中选一个Z感兴趣的，我想，有机是票王，而且是超过半数的优势。有机Z大的亮点是合成，是那种从小分子到“庞然大物”的过程感，是那种“为伊消得人憔悴，过尽柱子终寻尔”的成就感，是那种领略对称与空间结构的美感。而以上三人的贡献就无疑是通过碳碳之间的“牵线搭桥”让我们感受到了有机化学的神奇。

有机合成的过程大致都是碳链的增长和官能团的转化，其中如何有效的增长碳链是一个非常具有挑战性的主题。基础有机化学中，我们学到可以通过格氏试剂（Grignard reactants）和有机锂试剂（Corey-House反应）实现C-C的偶联。上述两种方法均获得诺贝尔奖（格氏试剂，1912年；锂试剂，1990年）。而这次，三位诺奖得主的工作便是利用含Pd催化剂进行C-C之间的链接，从而让有机合成面貌涣然一新。

让我们先从Heck反应谈起。我们知道，如果sp2杂化的碳原子和卤素连在一起了，那么这个C-X键是不容易断裂的，特别是C-Cl键。而在有机合成中，我们经常需要向苯环上引入一些基团，由于C-C之间的偶联非常困难，所以人们经常不得不“绕道”进行合成。首先在环状烃上引入目标基团，之后进行脱氢芳化。这样“舍近求远”自然是费力不讨好。于是，本文的主人公之一Heck变开始展示他的“神来之笔”了。他当时也就是无名小卒，从事的是冷门的过渡金属方面的研究。有一天，他利用等量的PdX2与有机汞试剂催化烯烃与卤代烃的偶联反应。反应时通过二价Pd与有机汞进行金属交换，从而形成Pd插入的卤代烃中间体，再与烯烃进行偶联（如图2所示）[1-3]。这种以有机汞为前体的Heck反应在室温下即可顺利进行，而且需要含有不饱和官能团的化合物如烯烃、羰基化学物等均可通过Pd的参与而进行C-C偶联。当然，从反应式我们也可以看到上述发现的不足：1）采用了毒性高并且昂贵的有机汞试剂；2）需要当量的贵金属Pd（+2），所以往往需要加入CuCl2重新氧化反应过程中形成的Pd（0）以满足Pd的催化用量。由于上述缺点的存在，影响了这类反应的推广。直到1968年，P. Titton与J. E. Mckeon发现Pd（0）的膦配体与卤代芳烃氧化加成可以形成Ar-Pd(L2)-X配合物[4-5]。受这一发现的启发，Heck[6-7]与Mizoroki[8]几乎同时发现了催化量Pd催化烯烃的芳基化反应（如图3），也就是现在被广泛使用的Mizoroki-Heck反应了。
一般使用Pd（+2）作为催化剂前体，在反应中得到Pd（0）从而实现催化。具体的催化机理如图4所示，主要包括：1）卤代烃与Pd（0）氧化加成，生成C-Pd中间体RPdX；2）烯烃与Pd配位，双键被活化；3）C=C对C-Pd键的顺式共平面插入，形成一个新的C-Pd键及C-C单键；4）中间体发生顺式脱氢，即生成取代烯烃，并产生HPdX，后者被碱还原为Pd（0），从而推动催化过程继续进行。
Mizoroki-Heck的发现一开始并没有产生轰动性效应。但是随着时间的推移，人们开始主要到它的威力，渐渐的它开始成为有机工作者的宠儿。它极大地推动了有机合成的发展，很多以前无法打通的路线也随着这个反应的横空出世而变的豁然开朗。
看到这里，读者也许会问了，既然反应都是Mizoroki和Heck两人的名字，为什么去瑞典领奖的只有Heck呢？因为Mizoroki在作出上述划时代工作九年之后，变因为身患癌而去世了，所以，我们只能说sorry了。不知道Heck会不会在颁奖致辞中提到Mizoroki，但至少C&EN曾在一个专门讲述人名反应的文章中详细阐述了Mizoroki-Heck的由来。（C&E News， May 17， 2010， Volume 88， Number 20， pp. 31 - 33）

介绍完三人中Z有名气的Heck，我们再来说说Suzuki和Negishi的故事。这二人也是因为在C-C偶联上的贡献而获奖的，他们也有以自己名字命名的反应，分别是Suzuki Coupling和Negishi Coupling。
对于Suzuki Coupling，是由Suzuki在上世纪80年代提出来的。他将硼酸衍生物作为亲核试剂引入Pd催化的联芳香烃制备中[9]，其表示式如图5所示。
相比于之前的Mizoroki-Heck反应，Suzuki的改进拓宽了Pd催化剂的使用范围。相对于其他各种金属有机试剂，有机硼试剂有许多优点：首先可以和许多官能团和谐相处；其次其副产物毒性低，且容易进行分离；另外，许多硼试剂易于合成，对热、空气、水等稳定性好、容易操作。
而对于Negishi Coupling呢，则是利用有机锌试剂和卤代芳香烃的偶联来增长碳链[10]。（如图6所示）这个反应使用的锌试剂有非常多的官能团和衍生物可以选择，甚至可以进行原位（in situ）合成。对于多种官能团的兼容性也很好，并且反应条件温和，选择性和产率都很好。不足就是，锌试剂对水敏感，使用范围受到限制。

图6 Negishi反应

从以上简单介绍我们也可以看到，Suzuki和Negishi的工作有是对Heck的发展，而且二人都在自己领域做出了开创性贡献，因而三人共同获得此次化学奖。

三位前辈都已迈入垂暮之年，但是基于Heck反应的C-C偶联这个领域却依然充满生机和活力。特别是随着纳米技术的发展，借助新的催化材料，有机催化的研究理念正在发生着微妙的变化。前方的道路虽然扑朔迷离，但是，这种神秘感促使着我们不断向前，向前。
Reference
[1] R. F. Heck， J. Am. Chem. Soc.， 90 (1968)， 5518.
[2] R. F. Heck， J. Am， Chem. Soc.， 90 (1968)， 5526.
[3] R. F. Heck， J. Am. Chem. Soc.， 90 (1968)， 5531.
[4] P. Fitton， J. E. Mckeon， Chem. Comm.， 4 (1968).
[5] P. Fitton， J. E. Mckeon， Chem. Comm.， 5 (1968).
[6] R. F. Heck， J. P. Nolley， J. Org. Chem.， 37 (1972)， 2320.
[7] H. A. Dieck， R. F. Heck， J. Am. Chem. Soc.， 96 (1974) 1133.
[8] T. Mizoroki， K. Mori， A. Ozaki， A. Bull. Chem. Soc. Jpn.， 44 (1971)， 581.
[9] A. Suzuki， Chem. Rev.， 95 (1995)， 2457.
[10] Ei-ichi Negishi， Baba S.， J Chem. Soc.， Chem. Comm.， 1976， 596.