金属有机化学课件

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1、金属有机化学有机过渡金属络合物的有机过渡金属络合物的基元反应基元反应金属有机化学基元反应基元反应过渡金属有机化合物的反应非常复杂，除了在有过渡金属有机化合物的反应非常复杂，除了在有机化学中常见的一些反应外，还有一些机化学中常见的一些反应外，还有一些特有的反特有的反应应。这些特有的反应可以归纳为几种。这些特有的反应可以归纳为几种基元反应基元反应。基元反应不是按反应机理分类，同一种基元反应基元反应不是按反应机理分类，同一种基元反应可以按不同的机理进行。基元反应是指反应的类可以按不同的机理进行。基元反应是指反应的类型。型。金属有机化学基元反应的类型基元反应的类型1. 配位体的配位与解离配位体的配位与

2、解离2. 氧化加成和还原消除氧化加成和还原消除3. 插入反应和反插入反应插入反应和反插入反应4. 配位体与外来试剂的反应配位体与外来试剂的反应金属有机化学1. 配位体的配位与解离配位体的配位与解离v配位体的配位和解离是过渡金属络合物催化反应的第一步第一步，因为只有络合物上的某个配体解离下来，空出配位位置时，只有络合物上的某个配体解离下来，空出配位位置时，从而使反应物配位络合，才能发生催化反应从而使反应物配位络合，才能发生催化反应。v对于这个平衡，K是络合物的稳定常数稳定常数。K值大，络合物太值大，络合物太稳定，催化活性小，稳定，催化活性小，K值小，络合物不稳定，解离作用显著，值小，络合物不稳定

3、，解离作用显著，易析出金属元素，催化反应无法进行，易析出金属元素，催化反应无法进行，所以必需有一个适当适当的的K值值。K=ML4ML3 L ML3 + L解离ML4 配位 配解金属有机化学v最理想的情况是：过渡金属络合物最理想的情况是：过渡金属络合物本身是稳定的本身是稳定的，往往是，往往是配位饱和的，一般满足配位饱和的，一般满足18电子规则，但是，当它发生反应电子规则，但是，当它发生反应时，又能时，又能较容易地解离出配体较容易地解离出配体，生成配位不饱和的络合物，生成配位不饱和的络合物，然后与反应底物配位络合，继而发生反应。然后与反应底物配位络合，继而发生反应。CoH(N2)(PPh3)3N2

4、CoH(PPh3)318电子 16电子 CoH(PPh3)3在溶液中能与烯烃配位，使烯烃活化，在溶液中能与烯烃配位，使烯烃活化，继而发生反应。继而发生反应。例如：例如：金属有机化学同样，常用的金属络合物还有：同样，常用的金属络合物还有：Ni(COD)2, Fe(CO)5, Mo(N2)2(dppe)2, dppe=Ph2PCH2CH2PPh2。Pd(PPh3)4Pd(PPh3)3 + PPh318 16电子电子 电子电子 金属有机化学2. 氧化加成和还原消除氧化加成和还原消除（Oxidative Addition and Reductive Elimination）LnM + AB LnMAB

5、O.A.R.E.2LnM + A-BLnM-A + LnM-BOs: n n+2Os: n n+1 n+1 金属有机化学(1).氧化加成氧化加成氧化加成反应可以看作是反应物氧化加成反应可以看作是反应物AB加到金属络合物上，加到金属络合物上，使金属被氧化的反应。使金属被氧化的反应。在氧化加成反应中，中心金属的在氧化加成反应中，中心金属的氧化态氧化态(Os)和配位数和配位数(CN)都增加都增加，氧化加成反应可以是改变两个电子，也可以是改，氧化加成反应可以是改变两个电子，也可以是改变变1个电子。个电子。氧化加成反应是生成氧化加成反应是生成MC键和键和MH键键的重要方法。的重要方法。Mg + RXRM

6、gXLnM + AB LnMAB金属有机化学IrLLHOCHXIrLLXOCIrLLXOCMeIIrLLXOCSClPhOOIrLLXOCHXIrLLOOCXOIrLLXOCClHgClIrLLCOCXCCO2MeCO2MeIrR3SiXLLHOCR3SiHH2MeIPhSO2ClHXO2HgCl2X=ClMeOCCCCO2Me1962年，年，Vaska利用配位不饱和的利用配位不饱和的Ir()络合物络合物IrCl(CO)(PPh3)2， 称为称为Vaska络合物络合物，和许多底物进行了氧化加成反应。，和许多底物进行了氧化加成反应。金属有机化学b. 加成产物中仍保留一个键加成产物中仍保留一个键如

7、：如：O2，S2，Se2，邻苯醌，邻苯醌，RCCR，RN=NR，RCH=CHR，S=C=S，CH2O，Cyclo-C3H6，RCON3，RN3等。等。c. 非极性加成物非极性加成物如：如：H2，R2SiH，R3GeH，R3SnH，RSH，RCHO，ArH，RH等。等。加成物加成物AB有三种：有三种：a. 极化的亲电试剂极化的亲电试剂如：如：X2（卤素），（卤素），HY（Brnsted酸），酸），RSCl，RSO2Cl，RX（烷基化试剂），（烷基化试剂），RCOX（酰基化试剂），（酰基化试剂），RCN，SnCl4，HgX2等。等。金属有机化学i) H2Vaska络合物与络合物与H2发生发生O.A

8、.得到得到顺式产物顺式产物 16e dsp2 18e d2sp3 (平面正方形平面正方形) （正八面体）（正八面体） 可能是可能是协同机理协同机理：1) 顺式产物顺式产物，HH断裂的同时，断裂的同时，MH生成生成 2) 室温反应，室温反应，HH键能键能430KJ/mol-1，断，断HH能量大，而能量大，而生成生成MH键能也大，得到补偿。键能也大，得到补偿。IrPh3PClOCPPh3+ H2IrPPh3OCClHbHaPPh3JHaHb= 8.4 Hz金属有机化学ii) 碳卤键碳卤键a. 一般碳卤键一般碳卤键VaskasX I Br ClL = PEt3 Ph3P (PhO)3PS = DMF

9、 CH3CN THF PhCl C6H6IrLClOCL+ CH3XIrOCLClLCH3X金属有机化学碳原子构型发生反转碳原子构型发生反转CPhXRHMCPhXRHM+-CPhXRHMSN2取代机理取代机理金属有机化学b. 卤代烯烃卤代烯烃XMMX金属与烯烃配位，同侧进攻，构型保持金属与烯烃配位，同侧进攻，构型保持 金属有机化学c. 卤代芳烃卤代芳烃卤代芳烃的共振式：XXXHXHXHRCH2BrPhBr键长1.911.92 1.86 偶极距2.15 D1.71 D键能65 Kcal/mol81 Kcal/mol显示卤代芳烃对亲核试剂的不活泼。金属有机化学R吸电子基，反应快。吸电子基，反应快。

10、X I Br Cl金属对苯环的亲核取代反应。金属对苯环的亲核取代反应。LnM+LnMRXRXRLnMX金属有机化学iii) CH键键a. 活化了的活化了的CH键键CH + MCMHCp2TaH3 H2Cp2TaHArDCp2TaArDHCp2TaD + ArHRuH2L4 + 2CH2=CCH3CO2RRuLLHCCHCH3COROL分子内环金属化分子内环金属化（intramolecular cyclometallation）金属有机化学Fe(dmpe)2 + PhCHO(dmpe)2FeHCOPhdmpe = Me2PPMe2Fe(dmpe)2 + HZ(dmpe)2FeHZHZ = CH3

11、CCH3, CH3CO2CH3, OCO2EtCO2EtIrPPh3PPh3ClPPh3IrClPPh3PPh3HPPhPh以上都是被以上都是被活化了的活化了的CH键键金属有机化学b. 饱和饱和CH键键饱和饱和CH键的活化可以在石油原料上发生选择性的官键的活化可以在石油原料上发生选择性的官能化反应。能化反应。是人们长期以来感兴趣的话题。IrPMe3HHC(CH3)4hvhvIrPMe3HCH2CCH3CH3CH3IrPMe3H 在光照下，先脱去一份H2，生成16e的CpIr(I)PMe3与饱和烃发生O.A.生成18e的Ir（III） 络合物。 饱和饱和CH键的活化获得成功，是金属有机化学中的一

12、件键的活化获得成功，是金属有机化学中的一件大事。大事。金属有机化学iv) 碳氧键碳氧键M + RCOORabaRCOMORbRCOOMR酰氧 R=Ph烷氧 R=,a C2H5CO2PhNiPhOH + CH2=CH2 + COC2H5COOPhNiCOLnNiOPhCC2H5OLnNiOPhCH2CH3-HLnNiOPhH+ CH2=CH2 LnNi + PhOH金属有机化学b OCRO+ MMOCRO醚OPh+ MMOPh金属有机化学v) CC键键 PtCl2(C2H4)2 + CH2CH2CHPhC2H4S(S)2Cl2PtCHCHCHPhPt(PPh3)4 + CH3CCNCNCNPtP

13、h3PPh3PCNC(CN)2CH3金属有机化学vi) 环金属化环金属化其它氧化加成的基团还有：其它氧化加成的基团还有：CN，CP，OH，NH键等。键等。 MMLnMLnM2RRLnMLnMRRRR金属有机化学(2). 还原消除还原消除还原消除是氧化加成的逆反应。只改变一个电子的反应反应过程中，金属的氧化态和络合物的配位数都减少了金属的氧化态和络合物的配位数都减少了。v还原消除反应是可溶性过渡金属络合物催化的均相催化反应的必经步骤，因此非常重要。它是生成CH键和CC键的重要方法。 LnMABLnM + AB LMABLMAB+LM ML + AABB 金属有机化学例如：当A，B烷基或芳基 CC

14、键偶联反应 AH，B=烷基 氢化，CH键生成反应 AH，B=酰基 氢甲酰化还原消除反应远比氧化加成研究得少。金属有机化学(一一) 发生还原消除反应的方法有下列四种：发生还原消除反应的方法有下列四种：i. 吸电子烯烃吸电子烯烃 联吡啶配位的二甲基或二乙基镍络合物，是对热相当稳定的络合物，在热苯中不分解。但加入吸电子烯烃，如丙烯腈等，由于烯烃和金属配位，金属向吸电子烯烃的反馈成为主导地金属向吸电子烯烃的反馈成为主导地位，造成位，造成NiR键的电荷密度降低，也即键的电荷密度降低，也即NiR键被活化键被活化，在常温下就迅速分解，从二甲基镍络合物可得乙烷，从二乙基络合物得到丁烷，这就是还原消除反应：(b

15、ipy)NiRR+ CH2=CHX(bipy)NiRRCH2=CHX(bipy)Ni(CH2=CHX) + RR金属有机化学同样：同样：(bipy)NiR1R2R2R1+R2R2R1R1OOO(bipy)NiOOO(bipy)NiOC6H5CRO+OOO(bipy)NiOOORCOC6H5O金属有机化学ii. 其他其他酸，如酸，如CO 吸电子烯烃是一种配体，能接受金属d电子反馈，其它酸也能促进还原消除反应，常用CO，产物也容易纯化。iii. 加热加热 上述还原消除反应产物和该络合物分解所得到的产物完全相同，所以，加热也是产生还原消除反应的一种方法。金属有机化学iv 正电荷正电荷 络合物是中性的

16、，在苯中是稳定的，但在MeOH中，由于MeOH作为配体取代了I-配体，而生成了以I-为反离子的带正电荷的络合物，而很容易失去一分子碘苯生成络合物。金属有机化学(二二) 还原消除反应的特点还原消除反应的特点 i. 顺式消除顺式消除PPPdPhPhPhPhCH3CH380DMSOCH3CH3PPPhPhPhPhPdH3CCH380DMSO不反应金属有机化学ii. 构型保持构型保持 XPhDH+ PdL42LCPdXLLPhHD构型反转 Me-ML=PPh3M= SnMe3, MgBrCPdLMeLPhHDCMePhHD构型保留金属有机化学3. 插入反应和反插入反应插入反应和反插入反应（Insert

17、ion and deinsertion）AB ,CNRCR2CO可为 H2BH + CCHH2BHHRMgX +ORCOMgXMRA=BABMABRMABR 一般，指小分子插入MH键或MC键。此处，R=烷基，芳基或负氢其中，烯烃和CO的插入反应特别重要。CCCOCNR,A=B为金属有机化学(1). CO的插入和脱羰化的插入和脱羰化CO的插入与脱羰是可逆反应。的插入与脱羰是可逆反应。其步骤有：其步骤有：i. CO和金属配位，由于和金属配位，由于CO是一种是一种酸，金属的酸，金属的d电子向电子向CO的的*反键轨道反馈，导致反键轨道反馈，导致MR键削弱，键削弱，CO键同时也削弱。键同时也削弱。ii.

18、 所谓所谓“插入反应插入反应”LnMRCORCOLnMLnMCR O 金属有机化学1) CO插入的途径插入的途径“CO插入”有两种途径两种途径：CO插入插入到MR键中，生成酰基金属化合物i.和金属键联的基团移位移位到配位的分子生成酰基金属化合物。LnMRCOLnMCROLnMRCOLnMCRO 金属有机化学两种方法证明是按照途径ii即烷基迁移机理：方法a：13C标记Mn络合物与CO反应（ML6）COCOCOOCOCMnCH313+ CO羰基插入COCOCOOCOCMnCOCH3COCOCOOCOCMnCOCH313131 : 3烷基迁移COCOCH3COOCOCMnCOCOCOCOCH3OCO

19、CMnCOCOCOCOOCCH3OCMnCOCOCOCOOCOCCH3MnCO13131313+1 : 2 :1金属有机化学方法b：cis和trans PdEt2L2与CO反应（ML4）cisPdEt2L2 + COEtCHO + CH2=CH2 + Pd(CO)nLmtrans PdEt2L2 + COEtCOEt + Pd(CO)nLmPdEtLLEtL PdEtLEtCO PdEtLEtCO PdCH2LCOEtCH2HCH2CH2LPdHCOEt EtCHOPd(CO)nLmPdEtLEtLL PdEtLEtCO PdEtLCOEt PdLEtCOEtPd(CO)nLmR.E.+ Et

20、CEtO如果发生CO插入反应，结果正好相反。CO插入反应，证明实际上是烷基迁移，但通常仍称为CO插入反应。金属有机化学2) CO插入的特点插入的特点i 在CO插入的反应中，迁移烷基的构型是保持的例1：CHPhCH3Mn(CO)5 + CO*PhCHCOCH3Mn(CO)5*例2：CPhClDHLnPd, CO翻转CPdCOLClPhHD LCCPhHDPdOLLClMeOHCCPhHDOOCH3金属有机化学ii. 烷基迁移的活性次序R 长链 短链 支链R 烷基 苄基 H，酰基，全氟烷基iii 金属的活性 Fe Ru OsLnMCORLnMCROMCOCOMe + R3P MR3PCOCOMe金

21、属有机化学脱羰化反应：脱羰化反应：脱羰化反应是CO插入反应的逆反应，它的发生，首先必需在金属上有空配位，例如乙酰铂()络合物可以用Ag除去一个氯离子配体而造成空配位，再发生脱羰反应。Ag+MeCOMe(PPh3)2Pt+COMePtPPh3Ph3PMeCClOPtPPh3Ph3PMeCMeMeO+ CO金属有机化学CH2COCl + RhCl(PPh3)3RhCOCH2PhClClPPh3PPh3PPh3PPh3RhCOClClPPh3PhH2CPPh3RhCl(CO)(PPh3)2+CH2ClPhCHO + RhCl(PPh3)3+ RhCl(CO)(PPh3)2 + PPh3CCOOOCo

22、2(CO)8, H2COOH+ HCo(CO)4金属有机化学(2). 烯烃的插入和烯烃的插入和消除反应消除反应（i） 烯烃插入烯烃插入MH键键这时，金属、氢和烯烃键必须共平面共平面，氢烯烃的迁移插入过程是高度立体选择性反应。最后得到顺式加成产顺式加成产物物。 CCM HCCM HCCM H金属有机化学不对称烯烃RCH2CH=CH2插入M-H两种途径：LnMH+RCH2CHCH2ABLnMCHCH2RCH3LnMCH2CH2CH2RA：马氏规则 B：反马氏规则决定于决定于空间效应空间效应和和电子效应电子效应的影响的影响金属有机化学（ii） 烯烃插入烯烃插入MC键键(a)，(b)途径受立体因素立体

23、因素和电子因素电子因素影响。(a)(b)MCCRRMCCRRCCRMR 金属有机化学不管是烯烃插入MH键或MC键，插入反应的发生是由于下列因素：烯烃和金属配位，由于金属d电子向烯烃反馈，而使烯烃自身被活化；烯烃和金属配位，由于金属d电子向烯烃反馈，而使MR削弱，易断裂；由于上述、两个因素，形成新的CC键和MC键。金属有机化学迄今为止，同时含有H和烯烃两个配体的络合物很少分离得到，因为能可逆地发生插入反应和消除反应。下面的络合物之所以能分离得到，可能是由于H和烯烃处于反位之故。PtHPEt3Et3PH2CCH2金属有机化学（iii） H消除反应消除反应 （H elimination） H攫取反应

24、 （H abstraction） H转移反应 （H transfertion）LnMCH2CHRHLnMCH2CHRHLnMHCH2CHRLnMH + CH2CHRLnMCH2CH2RLnMH + CH2=CHR金属有机化学Wilkinson经过长期研究认为：经过长期研究认为： 热力学数据表明：热力学数据表明：MTC键不是很弱，热力学稳定键不是很弱，热力学稳定. 化合物键D键DTi(CH2Ph)4TiCH2R240LiBu248Ti(CH2Si(CH3)3)4TiCH2R250ZnEt145Cp2Ti(CH3)2TiCH3250CdEt109Cp2Ti(Ph)2TiPh350BEt342(Et

25、3P)2Pt(Ph)2PtPh250AlEt242CpPt(CH3)3PtCH3165SnEt295CH3CH3CC370PEt258RBrCBr286PPh301ArPh267MC键的平均键能D（KJ Mol1）金属有机化学 若若MTR中没有中没有H，动力学也稳定，动力学也稳定.所谓的不稳定是由于MTR络合物中H的存在，但即使有H，消除也有条件消除也有条件： 1 MCCH必须共面必须共面，这时金属和H的相互作用最大，发生顺式消除，即在二面角为0时，最容易消除。(CH2)n-1HMn金属有机化学2 要有空配位。要有空配位。CpFe(CO)(PPh3)RPPh3CpFeH(CO)(alkene)

26、CpFe(CO)H + alkene避免H消除反应的途径：没有H；使金属配位饱和，如加入配体；空间位阻，因为金属攫取H时，MCCH必须成平面，这时金属和H的相互作用最大，发生顺式消除，由于金属杂环化合物不易达到此立体要求，所以不易发生H消除反应。降冰片基金属化合物比较稳定也是这个原因；形成螯合物；全氟烷基化。金属有机化学（iv） H消除经过下列步骤：消除经过下列步骤：A.配位体配位体L解离；解离；B.攫氢成金属氢烯络合物；攫氢成金属氢烯络合物；C.生成的烯烃解络；生成的烯烃解络；D.如金属还有一个烷基，则能和金属上的氢发生还原消除，如金属还有一个烷基，则能和金属上的氢发生还原消除，生成烷烃。生

27、成烷烃。v所以，具有二个相同烷基的金属化合物分解时，往往生成一份烷烃，一份烯烃，这称为还原的歧化反应，或者还原的消除反应。LnMCH2CH2RCH2CH2R_LLn MCH2CH2RCH2CH2R-1 ELn MCH2CH2RH-1 CH2CHRABLn MCH2CH2RH-1 CH2CHR还原消除-1 Ln M + RCH2CH3CD金属有机化学4. 配位体与外来试剂的反应配位体与外来试剂的反应LnMA + NuLnMANuLnMA + ELnMAEi) 配位烯烃的反应CCMNuCCNuM金属有机化学特点：烯烃通常接受亲电试剂的进攻，但与金属配位后，可以接受亲核进攻，从配位烯烃的外侧进攻（反

28、式加成）。例：PdClPy+ Na+CH(CO2Et)2PdClPy(EtO2C)2CH降冰片烯金属有机化学ii) 配位烯丙基的反应MnLLNuNuNu+金属有机化学iii) 配位苯环的反应Cr(CO)6 + XXCrCOCOCO此类Cr配位的络合物，由于三个CO接受金属Cr的电子反馈，Cr(CO)3成为一个相当强的吸电子基，使苯环的电荷密度降低，可以接受亲核进攻，Cr(CO)3吸电子能力与NO2相仿。 XCrCOCOCO+ NaOMeMeOHOMeCrCOCOCO金属有机化学iv) 配位CO的反应CO本身的反应活性不高，但与过渡金属配位后，由于金属配位后，由于金属向CO反馈电子，使氧上的电荷密度增加，碳上的电荷密度降低，可以接受Nu或E进攻。MCONu-E+ LnMCO ROHNRRLnMCOORLnMCONRR金属有机化学配位的CO与碳阴离子反应即酰基络合物，然后与碳正离子反应能形成Fischer型卡宾。LnMCO + RLiLi MCORMe3OBF4LnM=CROMe金属有机化学还有其它一些基元反应：金属试剂烷基化（金属交换反应）transmetalation重排RM + LnMClLnMR + MClLnMMLL