2O00年第 2o卷
第 1期,22—29
有 机 化 学
Chinese Jam~l of oIg c Chewistrf
V 20.00∞
No.】.22—29
综述与进展·
22一 7
过渡金属有机化合物的取代反应
庞 震 重塑:垦
(复直夭丐 学系 上海.'al3433)
2]。
p 乙f、2
移 瘟i庄 序, 雇萄枷 伽
Substitution Reaction of Transition Organometallic Compounds
PANG Zhen , HU&tCG Zu—En
( 唧 m ofChemistry.Fudaa Universi~,200433 ^)
Abstract This article reviews the substitution reaction of organotransition metal compounds.Th e reaction mecha—
nism is affected by the electronic densi~ ∞ theⅡIe£a1 and its]igands。the stereochemieal envwomnent around the metal
centre and the chelation effect of its ligands.
Key w0rds substitution,chelation,ring slippage
过渡金属有机化合物的发展在很大程度上与石
油化 工,精 细化 工 ,特 别 是 与 催化 联 系在 一 起。
wacke过 程l1j,烯烃的氢甲酰化 (hydroformylation)[ ,
治疗Parkinson病的药物 L—dopa的不对称合成『3 以
及从甲醇和一氧化碳合成醋酸l4 等 ,都是著名的以
金属有机化合物作为催化剂的例子。它们的催化原
理也都已搞清,并都已进 入了工业化过程。然而就
大多数催化过程来讲,它们的反应机理仍不清楚。
催化剂在反应过程中的作用机理 ,一直是化学家们
深感兴趣的研究课题。过渡金属及其化合物具有催
化作用已为人们所熟知。通过对过渡金属有机化台
物及其在催化反应 中生成的中间体的研究 ,即对金
lmM·X
8一e ctFOHS
-X、 。
Slow I. M
6 lectrons
属有机化合物中金属原子与其配体之间互相关系和
互相作用的研究 ,将有助于从分子水平上理解 反应
机理,从而对催化剂的设计,对催化过程的调节和控
制提出新的设想和依据。
1 取代反应的两种机理
对于所有的催化过程而言 ,反应的话性 中心是
金属。这意味着所有 的反应物 必需和金属发生作
用。这里有两种途径可以实现反应物和金属之间的
互相作用。第一种途径是通过解离机理( I)实现
反应物和金属之间的互相作用。
+Y
— —
fast
苎 ,
M —Y
8一electrons
在这一机理中,络合物中金属中心原子和某一 个配体之间发生解离作用而生成配位不饱和的金属
一
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络台 物 CUS (Coordinatively masaturated metal oom—
plexes),如 I.1式中的 l6电子的反应中间体。这个
中间体与进攻配体的作用最终完成了取代反应。许
多方法被认为可以有效地生成 CUS。如在催化剂的
制备中使用好的离去基 团作为配体 ,使用体积庞大
的配体来促进解离过程 ,选用可 在反应中被除去
Ln l S
Rh
Cl,, 1L
另一种方式是通过缔台机理 (SN2)实现金属与
反应物之间的互相作用。在这一机理中,金属络舍
物通过扩展它的配位数而获得金属原子与反应物之
间的接触 。但基于 Tolman的 l6一,l8一电子规
则 J,人们认为催化反应如果经过由缔台过程而生
成的20电子过渡态,其活化能将会是非常的高。化
学反应通常会避免走这样一条高活化能的反应途
径 。
然而近年来这种通过缔合过程而进行的取代反
应开 始引起人 们的 注意 而被深 入地研究。早 在
1966年,Basolo对具有 I8电子构型的 CoNO(CO) 进
行研究时就发现其取代反应极易按缔合过程进
行 J。此后,许多具有 I8电子构型的金属有机化台
的某些试剂为配体,利用光化学解离 及用氧化还
原的方法产生取代括性的金属络合物游离基等等。
人们对这一机理研究得 比较多。如 Wilkinson催化
剂 RhCIR3便 是这 样 一个具 有 l6电子构 型 的例
子[ 。
H
:
S
C
/
物的取代 反应 陆续被发 现是经 由缔合 过程进 行
的 J。对这些反应进行分析研究之后发现,它们 的
一 个共同的特点就是这些金属有机化合物中的某些
配体具有容纳较多电子密度的能力 ,从而在取代反
应中可以将原先配位给中心金属原子的一对 电子暂
时定域到该配体本身 的轨道上, 便使 中心金属原
子能腾出一个空轨道来接纳进攻配体的一对电子 ,
从而避免了形成 2o电子构 型的高能量的反应 中间
体。例如金属亚硝基羰基化合物就被认为可 将金
属价层的一对电子定域到亚硝基上 ,从而使反应中
间体虽然配位数增加 了但仍然保持 了金属原子的
I8电子 构 型,从 而 给出 了一 条低 能垒 的反 应途
径_lI]。
(CO)nbt=N=O—{ _ < { cc。 。
Basolo还研究了环戊二烯基羰基化合物的取代 代反应
反应,如( 一C5H4N02)Rh(CO)2在 PPh3存在时的取
NO2
。Cj c
O
l8e
。
O
]如 l一
。c
/R (_ ,
l 18e
H
—
H●C H —
H C H
—
H
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24 有 机 化 学 V0l 20.2000
该反应以缔合过程进行。根据亚硝基在取代反
应中可以暂时从 中心金属原子接受一对电子定域到
该配体本身的轨道上的观点,Basolo认为 ( 一
}l4NO2)1LI~(co)2的茂基配体在反应中也可以将一
对电子暂时转移到配体茂基上从而形成在过渡态
(I)中 一 的键合状态 J。许多带有环戍二
烯基配体的金属有机化合物以缔合过程进行的取代
反应都可以用这种观点去解释它们的反应历程。环
戊二烯基在取代反应中的这种配位状态的变化被称
之为“环滑移”(Ring—slippage) 这种环滑移机理得
到了x射线结晶学的有力支持。如已发现在 ( 一
C5H5)( 一c5 )W(co)2的单晶中配体 ( 一C5H5)
上有两个碳原子向外偏离 一C5H5的键合平面,其
中烯丙基键合平面 (C1,C2和 cs)和乙烯基平 面
(C1,C3,c4和 c5)的夹角为 20 J。乙烯基碳原子
与金属原子间的距离是 2.98A,处于明显的非键合
距离 。( 一C9H1)( 一岛H7)W(co)2与(币 一C5 )
(矿一 )W(co)2具有类似的结构。配体(矿一
H )中烯丙基键合平面和苯环平面之间的夹角更
大 ,有 26。。烯基 碳原 子 与金 属原子 间 的距离 是
3 2A t4]。而在 ( 一C9 )Ir(PMezPh)3的单 晶中,
这种配体中的键合面与非键合面之间的平面夹角被
发现竟有 28 5。之大 。
图 1 烯丙基键台平面和烯基非键台平面间夹角的结晶学测量
Fig.1 qhe geometry
,
of the compounds with 一coordination between cyclopentadienyl ligand and metal
这种配体中的对平面构型的偏离在具有苯环夹
心结构的化合 物 中也 存在。例 如在化合物 ( 一
C6Me6)Ru(0)(~4一C6M%)的单晶中发现其中一个苯
环配体是以平面构型与金属键合 ,苯环上的六个 甲
基弯向背离金属的方向。这一苯环上的碳碳键长以
非交替的形式出现,从 1.361A到 1.453A不等。另
一 配体(寸一c6Me6)上只有四个碳原子在同一个平
面上并处于和金属 Ru的键合距离。这四个碳原子
的碳碳键距离与 一二烯类似,而另外二个碳原子
的碳碳键长仅 1.327A,具有典型的双键键长_I6_。
图2 在化台物( 一C,Me,)Ru10)( 一 M%)中配体( 一C~Me,)的 M — C键及 C— C键的距离
Fig.2 The bond distances ofM— C and c— Cinthellgand( 一C6Me6)
coordinated.to the compound of( 一c6Me6)Ru(O)( 一C~Me6)
另一个类似的芳烃化合物(寸一c6 )Ku(o)(
一 c6Me6)具有与( 一C~Me6)Ru(0)( 一C6Me6).~
相似的结构[ 。有关取代反应中环滑移机理及结
构方面的描述还可见 0’c0nn0 ]和 wuetteries 的
评论性文章。
2 电子因素对取代反应的影响
络合物中金属原子上电子密度的富裕或贫乏程
度与取代反应的难易密切相关 ,而配体的电子性质
则对金属原子的电子密度有着直接的影响。一般来
讲 ,具有吸电子效应的配体能通过诱导效应而降低
L/
/
P
M P
集
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鹿震等 Chinese Jounud of Oi~allic Cheatlstry
金属原子的电子密度,从而有利于亲核基团的取代
进攻。反过来,具有推电子效应的配体可使中心金
属原子的电子密度 增大而减慢亲核试 剂的进攻速
率。对于羰基化合物,金属原子的电子密度可以方
便地 由该化合物的红外振动吸收频率 o反映出来 ,
也可以由金属原子在核磁共振谱中的化学位移来分
辨。按照定义,Harmmett参数反映了取代基 x对苯
甲酸衍 生物 xC5H4COOH在酸解离 过程 中 自由能
(△△G)的变化 】。现在发现它对于带有取 代茂
基的金属有机化合物同样有效。Basolo对化合物(
一 C5H4X)Rh(CO)2上 (X=N02,C15,C1,H,CH3,
NMe~)X基 团对取代反应 的影 响作 了研究。他发现
反应是通过缔合机理进行的。假如取代基 x没有
电子与环戊二烯基产生共轭效应 ,则它们 的 Harm—
melt参数与 vc 呈很好 的线性关系 。 电子 的共
轭效应
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
现在它对反应中间体具有额外的稳定化效
㈨ c
Ra
feV
应。如当 x为 cl和 NMe=时,取 代反应 的速率 比
Ha.rnunett参数预期的要快得多。在带有茚基和芴基
的化合物中,由于环戊二烯基环上苯环的存在,使得
这种额外的稳定化效应得到了极大地增强。这种对
取代反应 速率 的影 响被 称为 茚基 效应 和 芴基效
应- 。与环戊二烯基母体化合物相比,尽管茚基和
芴基化合物的红外振动吸收频率 0与环戊二烯基
母体化合物相比具有基本相同的数据,即表明它们
的金属原子的电子密度基本相同,但是由于存在着
配体的茚基效应和芴基效应,使得它们的取代反应
速率要比环戊二烯基母体化合物增加高达 108倍
(图中 Rate 为相对速率)。茚基和芴基甚至可以使
对取代反应呈惰性的( 一c5 )Mn(CO) 变得非常
活泼 j。环戊二烯基上的苯环被认为大大地提高
了环滑移过程中具有以 一键合构型的过渡态的稳
定性。
R h Rh Rh
∞ dx2_y2
嚣
廿 dz2
(Co)
2020
1 967
6 1X1 0 5
(CO
_
205I
I 985
1
Rh(CO CpRh(CO}
2
Experimenlal
】onization
Energies
图3 ( h(co)2的价轨道能级图
Fig.3 q'he valence orbital diagram of Cp/th(c0)2
Lichtenberger考 察 了化 合 物 ( 一 x)Rh
(CO) 的取代反应速率与中心金属的价电子能级及
取代基 x之间的关系。他采用“双参数法”将取代
基x的诱导教应和共轭效应分开来考虑[ ]:
logk(X) :c[E№(x)] +D[ER2(x)一ER1
(x)]’
{co}2
2048
1993
3.8x10B
●
Rh—t Y
,、CO
X
其中 E 和 E R】(分别代表来自环戊二烯基的二
个轨道e ,e 的电离能)的差值是对取代基 x的共
轭效应的度量 ,Em(金属 的第二轨道电离能)则是
对 x的诱导效应的度量。它们的相对能级图见于
图3。在这个能级图中,电离能 Em被认为是对反应
速率的更好的度量。这是基于 Era与 一Y 轨道
2
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26 有 机 化 学 20.2000
能量有关。M2可能就是在过渡态 中进攻配体与金
属键台时所生成的过渡态中所涉及的轨道。能级
M2更能代表金属的性质 ,而 Ml上的电子则认为在
很大程度上离域到配体 cp上而带有配体的性质。
3 取代反应中的立体效应
很早以前人们就注意到大体积的进攻配体要比
小体积的进攻配体难反应。人们一直设想去测量这
种立体位阻的大小,并使之定量化。由于膦配体在
均相催化剂中的重要性,Tolman对不同的含膦催化
剂的电子}生参数 和立体参数 对催化反应的影响
进行了研究 J。他把配体 的体积与分子的几何构
型, P核磁共振中的偶台常数 JMP,金属与配体的
键解离能对缔台或解离反应速率的影响等联系了起
来。Giering发展了 Tolman的思想。他认为可 以利
用带有不同取代基的膦作为探针去度量金属有机化
台物在取代反应 中的立体效应。他建立了一套配体
效应的定量分析理论 (即 QALE,Quantitative Analysis
of Ligand Effect),将反应速度表达成立体效应和电
子效应的函数形式[26 :
logk(或 logK)= ( )+ (P a)+l厂3( 丌a)+ ( 曲) (3 1)
式中 、pKa、Erta和 曲 分剐表示为腾配体的
立体角、质子化膦配体的酸解离常数以及 P原子上 d
轨道的 Le~,6s酸碱性。他将膦配体分为 a给予体
给予 接收体及 o-给予 给予体等三大类。用一系
列不同的膦去考察它们对某一金属有机化台物的取
代反应,经过适当的处理以后,便可得出这一金属有
机化合物在取代反应 中的立体阈值及其立体敏感性
等的信息。图 4(A)显示出虽然化台物( 一岛HT)Mn
(CO)3由于其自身具有大体积配体( 一c )而对进
攻膦配体的立体位阻较为敏感( 118。),但是它在
取代反应时的环滑移机理使得它显示 出对进攻膦配
体立体位阻具有较小的敏感性 ,即图 4(A)中在立体
阈值 后的直线部分具有较小的斜率。这表现了
(彳一c9 )Mn(CO)3在结构上的“柔韧性”特征。相
反,图4(B)则显示了化台物 v(co)6在取代反应时表
现出的较大的立体阔值(目 140。)。但是在立体闭
值 后的直线部分具有较大的斜率,表现了 v(co)
在结构上的“刚性”特征。这种“刚性”结构使得当进
攻膦配体的立体角大于 时取代反应的速率将迅速
下降。Gifing还用此方法对反应热及 P—M键长的数
据进行分析并得出了相同的动力学信息 j 这种分
析方法被认为适用于具有 A 构型的配体,这里 A
可以是 C,N,P,As和 ,甚至可 以延伸至 S。R可以
是任何烷基 ,芳基 或氢 ·。Drago最近提 出对 膦的
Lewis碱性的另一种分析方法。他将进攻配体膦的
值分解成静电贡献和共价贡献两部分,并将此分析方
法称之为△E一△C分析 。但 Giefing认为 /3~ago
的方法相 比起他的四参数的 Q.aLE方法有局限性 ,虽
然他并不否认当将他的 Ear及( 一鼢 ) 包括进 Dra
的 E/C分析中去时 ,这时候这两种分析结果的偶
台程度是相当满意的 J。
O(degree) O(degree
囤 4 (A){ 一CgHT)Mn(CO)3和 {B)V(CO)6在取代反应中
体现出不同的立体阈值和对立体位阻的敏感性[驯
Fig.4 qhe different stefic thresholds and stefic sensitivity of
(A)(彳一CgHT)tCm(CO)3 and(B)V(CO)6
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庞震等 Chinese Joum,al of Organic CM~sW 27
4 配体的螯合效应对取代反应的影响
当金属有机化合物的配体带有两个配位基团,
而其中一个配体基团处于非键合状态从而具有螯合
功能时,由于此螯合基团始终处于反应活性中心的
近旁,对反应会有很大的影响。螯合基 团间的链的
长度,其旋转自由度及配位功能团的立体位阻对螯
台反应都会产生很大的影响。Dobson利用脉冲激光
光解的方法系统地研究了具有螯合功能的配体在取
代反应 中的动力学 行为。他发 现化合 物 (DTA)W
(CO)4,(IYI'A 为 二 硫 烷 基 ,(CH ) CS(cH2)nSC
(CHs)3,其中 n=1,2,3,4,5),当其配体 DTA能与 w
形成四元环时(即 n=1),取代反应具有极明显的交
0
、 c。
\x/ \c0
0
O
C
,
∞
q \¨ 、 r。
0
换机理。而当螯合环逐渐增大时(即 =2,3,4,5),
则螯合环的生成无一例外是经由 SN1反应机理 ,既
解离机理进行_丑 。四元螯合环 的生成速度为 9.19
×lO9s (35。c),比5,6元螯合环的生成速度大20
~ 5O倍。五至八元螯合环的生成速率分别为 56.7
×10%~ ,20 4× 10%_。,9、4×lo4s 和 6、2 x
lo%~。当配体的螯合功能团为双键时,(如当配体
为 Ph2P(CH2) CH=cH2,n=1,2,3,4时),虽然螯合
功能团上的 c=c双键在螯合时的立体位阻要比
DTA中的叔丁基硫要小得多,但其螯合环的生成速
度却要比 DTA配体慢 50~600倍L33 。
c
㈦ ‰
+ CB
x=(CH3)3CS,Ph2P
Y (CHa)aCS,Et2N CH=CH2
= 1上,3.4
/ 厂
一
可见生成的螯合键的强度对螯合速率有很大的
影响。这种由 C=C双键形成的螯合环从四元环到
七元环的生成速度虽然也呈递减趋势,却几乎是在
同一个数量级上。这一螯合环的大小对反应速率影
响甚小的解释归之于在螯合之前 有“agostic”键的生
成,并且是发生在反应速率的控速步骤之前。
H
I I¨·。
Ph: 7 一
图5 agosfic键的形成
5 Theformation of agosfic bond
这样环的大小对螯合速率的影响较小就容 应的影响[ 。
易理解了。I.ees报道了下例螯合配体对螯合反
oc●h ●●c0 、 / X \
甲 扑 ⋯
、
』_
/
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有 机 化 学 v0l 2o.2000
%7、v
O
0
C
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OCt" l
C
0
BU
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i
一气
r f—Bu
o
A,K >0.2s-。。 B,K =1.5 l0一 s一1。 C
, K =1.1 10一 s一
这些速率常数揭示了螯合机团自身的旋转自由
度对螯合反应速率的影响也可达到 3个数量级之
大。双键作为功能团其螯合速度慢固然与它与金属
之间较弱的作用力有关 ,但是与 自由双键相 比,其螯
合的稳定化作用还是非常显著的。Zimmermmm于
1992年报道了化合物( ,干一C5It4CH2CH2CH=
cH2)co H2中的乙烯基配体极易被取代,而其分子
内键台的螯台环则很稳定 J,必须在很强的外部条
件下才能被破坏 。
5 总结与展望
取代反应机理的研究对于加深对催化过程的认
识 ,改变催化进程进而控制催化反应是十分重要的
虽然 目前对于许多催化反应的认识还极其肤浅,然
而对取代反应的研究无疑是对研究金属与配体的相
互作用提供了一种认识方法。随着实验技术的改进
及实验仪器的发展,人们对催化过程及物质问相互
作用的关系的认识正在逐步深入。如对于烯烃聚合
催化剂金属茂的研究就离不开对茂配体的化学修饰
的研究 J。对取代反应的深入研究不仅对于金属
有机化学的发展具有重要的理论意义,也将对催化
剂的分子设计提供实验依据。
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