分子碘催化的有机化学反应

化　学　进　展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.18No.2Π3

　Mar.,2006

分子碘催化的有机化学反应

张占辉

1,2

3

　刘庆彬

133

(1.河北师范大学化学化工研究所　石家庄050091;2.南开大学元素有机化学国家重点实验室　天津300071)

摘　要　从有机合成化学的角度,按反应类型综述了分子碘作为催化剂在有机化学中的应用,碘催化的

反应主要涉及保护基团的形成和裂解、氧化和还原反应、成环反应、加成反应、取代反应和重排反应等。

关键词　碘　催化剂　有机反应　有机合成　应用中图分类号:O621125;O61314;O13　文献标识码:A　文章编号:10052281X(2006)02Π320270211

OrganicReactionCatalyzedbyMolecularIodine

ZhangZhanhui

1,2

　LiuQingbin133

(1.InstituteofChemistryandChemicalEngineering,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050091,China;

2.StateKeyLaboratoryofElemento2OrganicChemistry,NankaiUniversity,Tianjin300071,China)Abstract　Fromaviewpointoforganicsynthesischemistry,therecentdevelopmentandapplicationsofmoleculariodineasacatalystinorganicreactionsincludingtheformationandcleavageofcommonprotectinggroups,oxidation,reduction,cyclization,addition,substitutionandrearrangementarereviewed.

Keywords　iodine;catalysts;organicreaction;organicsynthesis;applications

　　单质碘是紫黑色有金属光泽的鳞片状晶体,熔点113℃、沸点184℃、微溶于水、易溶于有机溶剂、易升华。碘是制造各种无机及有机碘化合物的重要原料,也是人体和动植物不可缺少的元素之一。它处于元素周期表第ⅦA族的最下端,具有较大的原子半径和多层电子结构,使它除具有该族元素的通性外,还具有一定的特殊性质,如能催化有机化学反应,因而受到有机化学界的重视。碘催化的有机化学反应具有收率高、反应时间短、选择性高等优点,成为迄今最为活跃的研究领域之一应作一较为系统的介绍。

[1]

香精和食品香精中也有广泛用途。它的合成一般在酸催化下进行,刘春生等报道用碘作催化剂在环己烷中回流分别合成了环己酮1,22丙二醇缩醛和环己酮乙二醇缩醛

[3]

[2]

;夏闽等

[4]

合成了乙酰乙酸乙酯

1,32丙二醇缩醛。在室温下,醛和甲醇或乙醇在碘

催化下反应高收率得到缩醛,酮反应速度明显比醛慢,通过这种方法可以在酮存在下选择性地保护醛

[5]

。Kalita等报道在碘催化下,在微波照射下醛

[7]

[6]

或环酮与1,22乙二醇反应得到1,32二氧戊环,脂肪酮不反应。Karimi等发展了另一种使羰基缩醛化

的方法,用1,32二(三甲基硅氧)丙烷(BTSP)1在碘催化下在二氯甲烷中与羰基化合物2反应,高产率制备1,32二氧杂环己烷3(式1)。位阻大的酮如二苯甲酮和樟脑延长反应时间也能得到中等收率的产物。该方法条件温和,酸敏感的基团如酚酯、THP和TBDMS醚不被裂解。作者认为碘作为Lewis酸,它

。在此,我们

根据反应类型就近20年来对分子碘催化的有机反

1　保护基团的形成和裂解

111　O,O2缩醛(酮)的形成和裂解

缩醛是羰基最常用的保护基团之一,它在日用

　　收稿:2005年2月,收修改稿:2005年7月

　3国家自然科学基金(No.20477009)和河北省自然科学基金资助项目(B2005000151)33通讯联系人　e2mail:orgsynchem@sina.com.cn

第2Π3期张占辉等　分子碘催化的有机化学反应・271・

可以催化BTSP和羰基氧进行硅烷基交换反应产生中间体4,4环化生成3和六甲基二硅氧烷(HMDS),释放出催化剂I2(图1)。

二硫缩醛通常是在酸催化下羰基化合物与硫醇或二

[10]

硫醇缩合得到。Deka等报道用中性铝支载的碘作催化剂在室温无溶剂条件下一系列醛或酮与1,22乙二硫醇反应得到相应的二硫缩醛,收率85%—95%。醛在20min内反应完成,酮需要相对较长的反应时间,对于位阻大和不活泼酮如二苯甲酮和樟脑需要在二氯甲烷中回流反应才能进行。该反应也可在THF溶液中进行,在雄甾烷中可以选择性地保

[11]

护六元环酮、五元环酮不受影响。碘在氯仿溶液中还能催化转化O,O2缩醛、O,S2缩醛和1,12二乙

[12]

酸酯成S,S2缩醛(式3)。

图1　碘催化的1,32二氧杂环己烷形成机理[7]

Fig.1　Themechanismofformationof1,32dioxanescatalyzedbyiodine

[7]

　　O,O2缩醛(酮)的裂解一般在酸性条件下进行,

[8]

Sun等研究发现用碘作催化剂在丙酮溶液中室温下O,O2缩醛(酮)也能进行脱保护,化合物中的羟基、酯基、双键和酮肟基团均不受影响(式2)。该反应在THF、乙腈或二氯甲烷中不能进行,丙酮中水的存在延缓了该反应的进行,作者认为碘催化的O,O2缩醛(酮)的脱保护是经过底物和丙酮交换机

[9]

理而不是水解机理进行的(图2)。Szarek等报道在甲醇溶液中碘能催化裂解糖缩醛,反应需在室温或加热条件下进行。

)、)和Ag(Ⅰ)S,S2缩醛(酮)一般在铜(Ⅱ汞(Ⅱ

等重金属或N2卤代琥珀酰亚胺、间氯过氧乙酸等氧

化剂的作用下裂解。用廉价低毒的碘作催化剂对这个方法有重大改善。碳水化合物S,S2缩醛在碘催化下、甲醇溶液、室温或回流条件下能进行脱保护,收率70%—90%,如D2阿戊糖二乙基二硫缩醛(10)

α在甲醇溶液中室温反应48h,得到70%的甲基22D2

[9]

阿拉伯呋喃糖苷11(式4)。

113　形成O,S2缩醛

碘在水中还能催化醛与22巯基乙醇反应生成O,S2缩醛,脂肪醛和芳香醛都能得到很高的产率;苯环上的取代基效应对反应速度影响不大,对硝基和对氰基苯甲醛在25min反应完全,收率98%;酮在此条件下不反应。所以可以利用此方法在酮存在下

图2　碘催化的O,O2缩醛(酮)脱保护机理

O2ketalscatalyzedbyiodine

[8]

[8]

Fig.2　ThemechanismofdeprotectionofO,O2acetalsandO,

112　S,S2缩醛(酮)的形成和裂解

选择性保护醛羰基。

114　醛和乙酐反应形成1,12二乙酸酯

1,12二乙酸酯由于易于制备和裂解,在中性和碱性条件下比较稳定,受到了人们相当的注意,为此

[14]

多种制备和裂解的方法被发展,它的形成机理最近也被研究。用碘作催化剂是制备1,12二乙酸酯最方便的方法之一,该反应条件温和,收率高,酮在此条件下不反应,利用该反应可在酮存在下选择

[15]

[13]

在多步合成复杂的化合物中,羰基常常被保护成二硫缩醛,二硫缩醛也是有机合成中一个重要的中间体,因为通过脱硫化反应,它能转化为母体烃。

・272・

化　学　进　展

[16]

第18卷

性保护醛羰基

(式5)。

I2,r.t.70%—99%

RRCH(OAc)2

(5)

1

2

RCHO+Ac2OR3SiOR+CH3C16

17

CH2

(7)

　　2　　　　　　　　　　　12　　　　

115　四氢吡喃醚的形成与裂解

四氢吡喃醚(THP)由于易于制备和对强碱、格氏试剂、烷基锂、氢化铝锂和酰化试剂以及在氧化和

还原条件下都较稳定,它在多步有机合成中被广泛地用作羟基的保护基。各种伯、仲、叔、苄醇和酚在碘催化下在二氯甲烷中形成四氢吡喃醚,反应条件温和,底物中的苯氧基、苄氧基、烯丙氧基和叔丁基

[17][18]

二苯基硅氧基不受影响。Deka等报道用催化量的碘微波照射1,n2对称二醇与3,42二氢22H2吡喃反应能选择性保护一个羟基,产品的收率与选择性和微波的能量及反应时间有关。

在催化量的碘存在下在甲醇溶液中回流,一系列四氢吡喃醚被脱保护成母体醇,产率73%—

[17]

85%(式6)。这可能是碘与甲醇反应生成HI,HI使DHP裂解,此方法还能裂解4,4′2二甲氧基三苯[19]

甲基醚(DMT)。　　虽然一些试剂能催化叔丁基二甲基硅醚(TBS)、三异丙基硅基(TIPS)和叔丁基二苯基硅醚(TBDPS)的脱保护,但对它们进行选择性裂解的报道不多。Lipshutz等

研究发现用碘2甲醇溶液在芳基硅醚存在下可选择性脱保护烷基硅醚(式8)。

[24]

117　羟基的酰化和选择性脱保护乙酸芳香酯羟基转化成乙酸酯在有机合成中是最重要的和最常用的转化之一,特别是在合成多功能基团如核苷、碳水化合物、甾体等天然产物中是必不可少的步骤。羟基的酰化通常在叔胺如吡啶或42(二甲氨基)吡啶(DMAP)催化下进行,由于吡啶类化合物具有高毒性和气味难闻的特性,后来人们把注意力转向用

[25][26]

Lewis酸如三氟甲磺酸钪和三氟甲磺酸铋作催化剂催化该反应,均取得了满意的效果。在催化量的碘存在下伯、仲、叔醇或酚和乙酐反应也能高收率

[27]

地得到乙酸酯,在无溶剂条件下反应速度更快,

[28]

伯、仲醇和酚的酰化在几秒中就可完成,碳水化合物中的羟基在此条件下也可乙酰化,对于位阻

[30]

大和活性低的酚反应可在微波条件下进行。

[31]

Das报道碘Π甲醇体系在室温能选择性脱保护乙酸芳香酯,乙酸烷基酯不被裂解。苯环上带有强吸电子基团如硝基、醛基、羧酸酯的乙酸芳基酯酯基也不被裂解。

118　对甲氧基苄醚的裂解

[29]

116　硅醚的形成与裂解

用催化量的碘作催化剂,伯醇、烯丙醇、苄醇、仲醇以及位阻大的叔醇与1,1,1,3,3,32六甲基二硅氮

烷(HMDS)在二氯甲烷中反应高收率得到相应的三甲基硅醚,这是制备三甲基硅醚较好的方法之一,产生的副产物NH3易于挥发除去,且反应时间短,酸敏感的叔醇不被脱水成烯Saxena等

[22]

[20]

。在此条件下,各种α2

[21]

羟基膦酸酯也可能转化为α2三甲基硅氧膦酸酯。

报道在微波照射下碘作催化剂在1,22二

氯乙烷中各种醇或酚与叔丁基二甲基氯硅烷(TBDMSCl)或三甲基氯硅烷(TMSCl)反应得到相应的硅醚,反应仅需2min。在碘或三甲基碘硅烷催化下,伯、仲醇和酚与烯丙基硅烷15反应也能生成硅醚,叔醇不能硅醚化,而是生成相应的碘化物,这个

[23]

方法也可应用于羧基的保护(式7)。

R1

2

对甲氧基苄醚(PMB)是羟基的又一保护基团,碘Π甲醇体系能选择性脱保护对甲氧基苄醚成醇,在此条件下苄基醚不受影响119　甘油醚的脱保护

12烷氧基222乙酰基232三苯甲氧基甘油醚(20)在

[32]

。

ROH+RSiCH2C13

15

CH2

I2orMe3SiI

碘Π甲醇体系中,在60℃时同时脱三苯甲基和乙酰基(式9),在室温下仅脱三苯甲基,但乙酰基在反应过程中发生了部分转移,产生了两个异构体22和23(式10)。作者认为脱保护是一个酸催化过程,碘氧

第2Π3期张占辉等　分子碘催化的有机化学反应・273・

化甲醇产生少量HI是反应进行的关键,该体系为甘油醚脱保护提供了可行的方法,特别是在乙酰氧基

[33]

存在时可选择性脱保护三苯甲基。

OC16H33OCOCH3OCPh320

20

I2,MeOH2CH2CI2r.t.,50h,75%

1%I2,MeOH60℃,8h,80%

Gogoi等

[38]

报道用DMSOΠN2H4・H2OΠI2ΠH2OΠCH3CN

体系能在伯醇存在下选择性氧化仲醇成酮(式13)。

OC16H33

OHOH21+

OC16H33OCOCH3OH23

(9)

OC16H33OH

OCOCH322

(10)

213　氧化叔胺成醛

在钨灯照射下,用催化量的碘作催化剂,具有共轭结构的叔胺在乙醇溶液中被氧化成醛,如戊二烯叔胺28被氧化成相应的二烯醛29,收率66%(式14)。当28为EΠZ混合物时,得到的产物29均为E构型。在此条件下伯胺、仲胺、饱和胺和简单的烯丙

[39]

胺不被氧化。

1110　脱保护异戊烯基醚

报道碘在二氯甲烷溶液中在分子筛存在下,简单醇、碳水化合物、甾体的异戊烯基(Pre)醚

Vatèle

[34]

能选择性脱保护,缩醛、烯丙基、叔丁基二苯硅基、苄基和乙酰基不受影响。

1111　N292苯基92芴基脱保护成氨基

N292苯基92芴基(Pf)是氨基的一个很有效的保护基团,它的引进阻止了α氨基醛、酮和酯中α位质子的脱去。它的裂解一般在氢化和强酸性条件下进行,但强酸的存在易于使氨基成盐,这将阻止分子[35]

间的胺化作用。Kim等报道用碘作催化剂在甲醇中回流可选择性脱除叔胺的Pf保护基,仲胺的Pf不被裂解,但分子中的异亚丙基也被脱除(式11)。

214　氧化裂解苯乙烯双键成苯甲酸

在光照射下,和苯环有共轭结构的双键在催化量碘存在下被多孔硅胶FSM216氧化裂解成相应的苯甲酸,溶剂对该反应有影响。研究发现异丙醚是较好的溶剂,如42叔丁基苯乙烯在异丙醚溶液中呈现013摩尔分数,碘室温照射48h,得到87%的苯甲酸(式15)。苯环上的取代基不同对反应收率有影响,带有供电子基团如甲基、甲氧基对反应有利,而吸电子基团如硝基影响反应的活性,双键α或β位上的取代基也使反应活性降低。作者认为该反应为

[40]

自由基历程。

2　氧化反应

211　氧化甲烷成硫酸甲酯

甲烷经催化氧化成硫酸甲酯,硫酸甲酯水解成甲醇,这一过程是制备甲醇最有效的方法之一。甲

)、)、)和Pt(Ⅱ)烷的氧化一般在Hg(ⅡPd(ⅡTi(Ⅲ催化下进行。Bjerrum课题组报道了在发烟硫酸

中碘能催化甲烷氧化成硫酸甲酯(式12)。

CH4+2H2SO4→CH3OSO3H+2H2O+SO2(12)212　醇的氧化

[36]

3　还原反应

311　腈和叠氮化合物分子间的还原偶联

报道在高压汞灯照射下,用催化量或化学计量的碘作催化剂,苄醇和烯丙基醇被氧化成相应的醛,溶剂对该反应有很大影响,实验发现异丙醚是最好的溶剂。在此条件下二苯甲醇氧化为二苯甲酮,收率97%,但简单的脂肪醇如42叔丁基环己醇不被氧化,作者认为这个反应为自由基历程。

Itoh等

[37]

张永敏课题组

[41]

报道芳香叠氮化合物和芳香

腈在SmΠI2系统作用下,THF回流得到中等收率的芳香脒;而在相同条件下脂肪叠氮化合物与芳香或脂肪腈反应得到的主要产物为相应的胺,这可能是脂肪氮自由基不如芳香氮自由基稳定的缘故。脂肪脒可以在二碘化钐作用下制备(式16)。

・274・

化　学　进　展NH第18卷

用112mol的NaBH4和015mol的I2,反应在无水THF

　(16)

中进行,收率79%—95%(式22)。在此条件下化合物中的孤立碳2碳双键和酯基不被还原。

RN3+RCN

32

33

12

1)Sm(0)Πcat.I2,THF2)K2CO3(10%)

RHN1

　34

CR

2

312　亚胺的还原二聚

报道醛亚胺在碘催化下被金属镧

还原二聚成连二胺(式17),而酮亚胺被还原为相应的胺(式18)。

Ar′HNHArLaΠI2

(17)N2Ar′ArArTHF,67℃

HHNHAr′

Nishino等

35　　　　　　　　　36　　

[42]

317　二苯甲醇和二苯甲酮的还原

各种取代的二苯甲醇

[47]

和二苯甲酮

[48]

在乙酸

RArN2Ar′R

LaΠI2THF,67℃

Ar′N

H

(18)

Ar

37　　　　　　　　　38　　

溶液中60℃条件下被次磷酸Π碘还原为亚甲基衍生

物(式23),苯环上带有供电子基团反应易于进行,反应中的活性还原剂为原位产生的HI。该方法的缺陷是苯环上的甲氧基和碘也被裂解,酯基被水解,α,β2不饱和酮中的碳2碳双键也被还原。该试剂在乙酸中回流还能裂解C—N键OHArCHAr′

[49]

α,β313　2不饱和羧酸衍生物的还原各种α,β2不饱和羧酸衍生物(酯、腈、酰胺和羧酸)在室温乙醇溶液中被钐Π碘还原为相应的饱和化合物,收率82%—99%(式19)。在此条件下α,β2不饱和醇不被还原,α,β2不饱和醛和酮给出一个复杂的混合物

[43]

。H3PO2,I2(cat.)HOAc,60℃

ArCH2Ar′

(23)

　　48　　　　　　　　　49　　

。318　硝基和叠氮化合物的还原环化

邻硝基苯甲酰胺50a或邻叠氮苯甲酰胺50b在

钐和催化量的碘作用下和羰基化合物反应,得到2,

[50]

32二氢222芳基24(1H)2喹唑啉酮(式24)。要使反应进行完全每摩尔的50a要求用3mol的钐和012mol的碘,而50b仅需要1mol的钐。醛或脂肪酮和50反应得到69%—%的产物,而芳香酮在此条件下只能得到邻氨基苯甲酰胺。

314　分子间还原耦合成3H2吡咯

1,12二芳基22,22二腈基乙烯41a或1,12二芳基222腈基222乙酯基乙烯41b与芳香腈42在钐Π碘系统

作用下发生分子间的还原环化得到取代的3H2吡咯43,收率52%—75%(式20),芳香环上的氯、溴、烷

[44]

氧基和N,N2二取代氨基等不受影响。

319　还原亚砜成硫醚

315　芳香硝基化合物的还原

芳香硝基化合物在催化量的碘作用下在THF2

[45]

NH4Cl水溶液中被钐还原为相应的伯胺(式21)。

ArNO2

SmΠI2

亚砜在各种合成转化中是一类重要的中间体,

在不对称合成中可作为手性辅基,但在最终目标产物中亚砜需要还原。虽然亚砜的还原有各种方法,但这些方法存在一些缺陷,如反应时间过长、收率偏低、强酸性条件、要求高温和后处理过程复杂等。最

[51]

近,Karimi等报道用催化量的碘作催化剂,用32巯基丙酸(32MPA)作还原剂,烷基和芳基亚砜在室温下被还原成硫醚,实验发现乙腈为最佳溶剂,最优的摩尔比为底物∶32MPA∶I2=1∶211∶0105,收率55%—95%(式25)。NBS对此反应也有相同的催化效果。

ArNH2

(21)

　　44　　　　45　　

316　区域选择性1,22还原α,β2不饱和醛和酮

Singh等

[46]

报道用NaBH4ΠI2体系可以区域选择

性还原α,β2不饱和醛和酮,还原条件为每摩尔底物

第2Π3期张占辉等　分子碘催化的有机化学反应・275・

OSR

1

32MPA,I2CH3CN,r.t.

SR

1

(25)

R

2

R

2

52　　　　　　　　　53

作用产生HI,63脱水产生碳正离子,氢的迁移和

羧基氧的进攻导致了立体选择性地形成cis2内酯[56]

65(图3)。在碘催化下在二氯甲烷溶液中γ2甲基γ,δγ22戊烯酸也能内酯化生成γ,γ2二甲基22丁

[57]

内酯。

4　成环反应

411　2H212苯并吡喃的合成

2H212苯并吡喃和它的衍生物在香料、化妆品和

医药工业有广泛的用途。这些化合物还是合成42羟基香豆素和色酮的前体。用碘作催化剂在室温下各种取代的水杨醛54和2,22二甲氧基丙烷缩合,一锅法合成2,22二取代23,42二氢22H212苯并吡喃56(式26),该方法反应时间短,收率高,立体选择性好。在此条件下不带羟基的芳香醛与2,22二甲氧基丙烷反

[52]

应仅得到羟醛缩合产物,而酮不反应。

图3　碘催化的内酯化机理[56]

Fig.3　Themechanismoflactonizationcatalyzedbyiodine

[56]

415　合成1,52苯二氮( )类化合物1,52苯二氮( )类化合物67是一类具有生理活性的杂环化合物,在医药和燃料工业有广泛用途。它们的合成主要是经过邻苯二胺与α,β2不饱和羰

β基化合物、2卤代酮或酮在酸性催化剂的作用下缩

412　烯烃的氮丙啶化氮丙啶化合物是有用的合成中间体且具有多种生理活性,它们作为亚结构广泛存在于天然产物中。利用氯胺2T(CT)作为氮源是合成氮丙啶化合物最有

[53]

效的方法之一。Sharpless课题组用三溴三甲基苯铵作催化剂使烯烃氮丙啶化(式27),Minakata课题组

[54]

合反应。最近,Bandgar等报道用碘作催化剂在乙腈溶液中室温下邻苯二胺与酮反应得到1,52苯二氮( )类化合物,反应时间在10min内就可完成,收率96%—99%(式29)。

[58]

用CT2I2系统结合相转移催化剂氯化苄基三乙

416　合成二氢苯并噻喃和吡喃并[3,22c]苯并吡喃

[59]

Saito等研究发现碘能催化二(22甲酰基苯)

铵(BTEAC)在水中合成了各种取代的氮丙啶,该方法不用有机溶剂,反应时间短,收率高。

413　合成22烷基222甲基2四氢呋喃

报道42甲基烷基242烯212醇在催化量碘催化下在二氯甲烷中发生亲电环化反应,生成22烷基222甲基四氢呋喃,收率67%—98%(式28)。

Kim等

[55]

414　内酯的合成

在碘催化下在乙腈溶液中各种萜烯32羟基酸内酯化形成双环或三环内酯,可能的机理为:碘和羧基

二硫化物68与链烯醇在原位产生甲基化邻硫苯醌

70,70通过分子内的[4+2]环加成反应合成具有药理活性的二氢苯并噻喃化合物71。化合物69末端1

R必须是甲基,否则不能产生71。如68和(Z)242己烯212醇反应仅得到二聚和碘代的环化产物而无71生成。在碘催化下邻羟基苯甲醛、原甲酸三甲酯与不饱和醇在原位生成甲基化邻苯醌,甲基化邻苯醌同样通过分子内的[4+2]环加成反应合成trans2

[60]

吡喃并[3,22c]苯并吡喃72(图4)。417　合成1,2,3,42四氢嘧啶222酮

3,42二氢嘧啶22(1H)2酮及其衍生物75具有很多的生理活性,诸如抗病毒、抗炎、消炎等,因此它们的合成引起了人们的极大兴趣。合成该类化合物常用的方法是Biginelii合成法,虽然已有各种催化剂

・276・

化　学　进　展

第18卷

一类重要的中间体,通过它可以衍生出许多在医药、

农药及其它精细有机化学上有用的化合物。通常,氰醇可以由羰基化合物与三甲基硅氰(TMSCN,80)反应再经过水解得到。TMSCN是一个很安全的氰化试剂,但该反应在缺乏催化剂下不能进行(式

[][65]

32)。Saidii和Yadav课题组报道碘是催化该反应很有效的催化剂,反应在二氯甲烷中室温下很快完成,醛和各种酮如22苯基242苯并二氢吡喃242酮、

α二苯酮、四氢萘酮、2叠氮和α2溴代酮等都高收率地

α,β转化为相应的α2氰基硅醚。2不饱和酮得到的是相应的1,22加成产物,无1,42加成产物生成。可

是TMSCN和1,1,12三氟242乙氧基232丁烯222酮在碘催化下在室温无溶剂条件下生成的是1,42加成

[66]

产物。

图4　碘催化合成二氢苯并噻喃化合物[59]

Fig.4　Possiblepathwaysforthesynthesisofthiochromans

[59]

催化该反应的报道,但用碘作催化剂还是有很大优越性。用碘催化醛、1,32二羰基化合物73和尿素或

[61][62]

硫脲三化合物在乙腈或甲苯中回流一锅合成3,42二氢嘧啶22(1H)2酮(式30)。该反应条件温和,对各种结构的脂肪醛和芳香醛都有很高的活性,底物中的各种基团如醚、硝基、羟基和卤素在反应过程中均不受影响。513　Michael加成反应Michael加成反应是有机合成化学中一种构筑

碳2碳键的极为重要的策略,在有机合成尤其是药物

[67]

合成中取得了广泛应用。在碘催化下吲哚82可以有效地与α,β2不饱和酮发生Michael加成反应,通过该反应可以一步简便地合成β2吲哚酮83,收率

[68]

达到96%,在此条件下没有N2烷基化产物生成(式33)。

5　加成反应

511　Diels2Alder环加成反应

Diels2Alder环加成反应是构建六元环最好的方

法之一。Lewis酸催化的Diels2Alder环加成反应受到人们的广泛注意,AlCl3是Diels2Alder环加成反应最常用的催化剂,但是它经常引起二烯体和亲二烯

[63]

体的聚合。Chavan等报道碘是一个有效的Diels2Alder环加成反应催化剂,各种保护和无保护的α,β2不饱和醛与1,32二烯反应生成环加成产物,反应时间30min,生成几乎专一的endo异构体产物,没有聚合产物生成(式31)。

514　烯丙基化反应

Lewis酸促进下烯丙基三甲基硅烷84与羰基化

合物之间的烯丙基化反应(Sakurai2Hosomi反应)是形成碳2碳键的重要方法之一。用碘作催化剂,各种脂肪和芳香醛与84反应生成相应的加成物85,碘与84形成的碘化三甲基硅烷可能是该反应有效的促

[69]

进剂(式34)。碘还可以有效地催化醛、苄氨基甲酸酯和84三化合物的反应生成保护的高烯丙

[70]

基胺。

OHRCHO+SiMe3

I2MeCN,0℃

R

1

　　　(34)

512　羰基化合物的硅氰化反应

　　　84　　　　　　　　　　　　85　　　

在有机合成中,氰醇特别是旋光活性的氰醇是

第2Π3期张占辉等　分子碘催化的有机化学反应・277・

6　取代反应

611　亲核取代反应

61111　酯化反应和酯交换反应

工业上酯化反应多采用浓硫酸或其它酸性催化工艺,此方法存在副反应多、收率低、设备腐蚀严重、催化剂必须中和才能除去等缺点。碘作为一个温和的Lewis酸催化剂能催化各种饱和、不饱和、羟基和二羧酸与醇反应制备酯,醇的反应活性为伯醇>仲醇>叔醇。长链酸和长链醇也能得到很好的结果,但直接和芳环相连的芳香酸如苯甲酸在此条件下酯化反应不能进行,反应过程中产生的水不必除[71]

去。酯与醇在碘催化下也可发生酯交换反应,该

[71—73]

反应可以用来制备一些较难制备的酯。61112　成醚反应

碘在高压下催化叔醇与伯、仲醇脱水成醚,反应

[74]

得到中等的收率和选择性。在碘催化下环化β2

[75]

二酮与醇发生醚化作用生成β2酮烯醇酯。61113　烯丙基乙酸酯的烯丙基化和炔基化反应性质亦很活泼,尤其是C3位具有较强的负电性,表现出较强的反应活性,易被亲电试剂进攻,它可与醛或酮发生亲电取代反应生成双吲哚甲烷90。该反

[79][80]

应一般由酸催化,Ji和Bandgar课题组分别报道在碘催化下在固相和乙腈溶液中吲哚和醛或酮反应生成90,反应在室温下就可进行且反应速度快,几分钟就可完成,收率高,选择性好(式37)。

7　重排反应烯糖是典型的烯醚,双键是较活泼的官能团,所以烯糖作为糖基供体经常应用于寡糖合成之中,它经过Ferrier重排反应得到C2苷化产物,该反应一般在Lewis酸催化下进行。Yadav等研究发现碘能催化烯糖分别与烯丙基三甲基硅烷、氰基三甲基硅烷、叠氮三甲基硅烷在二氯甲烷中室温下反应,分别得到2,32不饱和烯丙基糖苷、糖基氰和糖基叠氮化

β为6∶物,产率72%—95%,选择性αΠ4—9∶1(式

38)。碘也能催化烯糖与炔基硅烷之间的C2苷化反应,该反应不仅收率高,而且区域选择性非常好,仅

[82,83]

得到α位取代的产物。研究还发现碘可以非常有效地促进三2O2乙酰基2D2葡萄烯糖与各类醇和酚的反应,利用这一反应可以合成一系列烷基或芳

[84]

基取代的2,32不饱和吡喃葡萄苷。

[81]

烯丙基乙酸酯能与各种试剂发生亲核取代反应,这也是重要的碳2碳链增长反应之一。该类反应可以在一些路易斯酸的促进下进行,Yadav等研究发现,用催化量的碘可有效催化环状烯丙基乙酸酯与烯丙基三甲基硅烷84反应,乙酸酯基被烯丙基以SN2形式取代(式35)。环状烯丙基乙酸酯还可以在相似条件下与22三甲基硅基乙炔苯反应得到炔基化产物,非环状烯丙基乙酸酯不能进行上述反应。

[76]

612　亲电取代反应61211　卤代反应

1,42萘醌88与HgCl2ΠCuCl2在碘催化下在乙酸

溶液中发生氯代反应生成在醌环上的氯代产物,在反应过程中加入自由基猝灭剂反应不能停止(式

[77]

36)。作者认为反应首先是碘亲电进攻醌双键生成碘　中间体,氯离子再从金属配合物转移到碘　上形成相应的氯代产物,收率50%—98%。Gelmont[78]

等研究发现碘能促进间苯二酸的溴代反应,用2%的碘在发烟硫酸中102—105℃间苯二酸与溴反应得到90%的52溴间苯二酸(52BIPA)。61212　双吲哚甲烷的合成

吲哚在生物体内起着重要的生理作用,其化学

8　其它反应

811　合成炔酮

α,β2不饱和炔羰基化合物是合成杂环化合物的重要前体和合成核苷、非蛋白氨基酸、信息素及药物的中间体。虽然它们的合成有多种方法,但每种

[85]

方法多少都存在缺陷。Yadav等研究发现用碘催

・278・

化　学　进　展

第18卷

化的酰氯和炔基硅烷反应是制备α,β2不饱和炔羰

基化合物最有效的方法之一(式39)。该反应在二氯甲烷中室温就可进行,等摩尔的酰氯和二(三甲基硅)乙炔反应生成单酮炔,2摩尔酰氯和1摩尔二(三甲基硅)乙炔反应则生成1,42二酮炔。

域选择性,生成的是trans异构体,环硫化物开环生成了二聚产物99。815　Reformatsky反应

Reformatsky反应可以同时实现碳链的增长和官能团的转变,在有机合成中有着重要作用。Ross[90]

等报道在高强度超声波(HIU)作用下,苯酮、锌与α2溴代酸酯在催化量的碘催化下在二　烷中41—42℃发生Reformatsky反应,生成β2羟基酸酯。但在此条件下,苯乙酮与α2氯代乙酸乙酯不反应,异丙基苯基酮与α2溴代异丁酸乙酯反应,得到了66%的

[91]

β2内酯102(式42)。Chavan课题组报道在碘作用下,苯乙酮与α2氯代乙酸乙酯可发生Reformatsky反应生成71%的β2羟基酸酯。

812　吲哚、吡咯和芳香胺的硫氰化反应

芳香化合物的硫氰化反应是形成碳硫键的方法

之一,芳香硫氰化物能方便地转化为各种硫基团。在芳烃的硫氰化反应中曾使用过NBS、CAN和K10蒙脱土等,但这些试剂对于芳香胺硫氰化物的制备转化率偏低,且使用大量的氧化剂。最近,Yadav[86]

等研究发现,在甲醇溶液中使用碘可以促进吲哚、羟吲哚、吡咯和芳香胺与硫氰酸钾的反应(式40),对各种取代基的吲哚得到了32氰硫基吲哚衍生物,羟吲哚得到的是52氰硫基羟吲哚,吡咯生成22氰硫基吡咯,芳香胺得到的是对位硫氰化的产物,收率83%—96%。仅吡咯生成少量的2,42二氰硫基化产物97。

　　除了上述反应外,碘还催化乙酰乙酸乙酯和芳胺反应合成β2芳胺丁烯酸乙酯,这是报道的用碘催化有机反应较早的例子之一。最近报道,碘还被用来催化烯糖和聚甲基氢硅氧烷反应合成3,62二氢

[93][94]

吡喃衍生物,吲哚与不饱和酮的Michael反应,

[95]

扁桃酸、乳酸与醛的反应,烯基三甲基硅烷、三甲基氰硅烷和N2乙酰化喹啉的加成反应合成22丙烯基和22氰基21,22二氢喹啉衍生物,羰基化合物、胺和三甲基氰硅烷三化合物的缩合反应制备α2氨

[97]

基腈等。

[96]

[92]

813　叔醇脱水反应

醇脱水成烯烃在有机合成中是一个很有用的转化,Alvarez2Manzaneda等

[87]

研究发现在二氯甲烷中

三苯基膦2碘能使β位带有甲基、亚甲基、次甲基基团的叔醇区域选择性脱水生成稳定的烯烃,底物中的羰基、酯基和氨基不受影响。814　杂环化合物的开环反应

9　结束语

综上所述,碘作为催化剂已在有机合成中占有

重要一席。与传统的Lewis酸相比,碘是一个方便易得、价格便宜、低毒且使用范围很广的试剂,由它催化的大多数反应条件温和、反应速度快,后处理简便、耐水和具有一定的立体和区域选择性。由于碘为中性物质,它尤其适用于催化对酸敏感物质的反应。笔者认为下列领域还值得研究:(1)所有用酸催化的有机反应都值得用碘试试;(2)将碘催化剂结合超声波、微波等有机合成新技术为该领域的另一发展方向;(3)研究碘在不同材料上的支载,克服其易挥发、升华及不能回收重复利用的缺陷;(4)研究碘

自Sharpless环氧化反应问世以来,各种环氧化产物的选择性开环方法层出不穷。因为不同方式开环得到的产物均具有很高的合成应用价值,选择不同的试剂并控制一定的反应条件,可发生不同部位的开环。由于碘易于蒸发和升华,Tamami课题组把

[88]

碘固载在聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和氨丙烷化硅胶(APSG)　　　

[]

上(式41),研究了环氧化物和环硫化

物的醇解、水解和乙酸解反应,环氧开环具有高的区

第2Π3期张占辉等　分子碘催化的有机化学反应

[28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53][54][55][56][57][58]

・279・

催化反应的机理,这将促进催化学科的发展。随着这几方面研究工作的不断深入,其在有机反应中的应用范围会更广泛。

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化　学　进　展

2051—2055

[80][81][82][83][84][85][86][87][88][][90][91][92][93][94][95][96][97]

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