独立串联催化与辅助串联催化简述

尹兵

摘 要：多米诺反应是用简单的材料从单一的操作中合成结构复杂的分子的高效合成方法，已引起高度重视。近日，提出了多米诺反应的新概念——串联催化，催化剂依次激活了两种以上完全不同的反应。串联催化分为三类：独立、辅助和自动串联催化。本文简单介绍了近几年来关于独立串联与辅助串联催化技术的部分研究成果。

关键词：多米诺反应；独立串联催化；辅助串联催化

1 概述

随着绿色有机合成化学的不断发展，寻求理想的绿色合成方法，实现在温和条件下快速、高选择性的合成，是绿色有机化学发展中的重要目标。在这样的目标下，高效、高选择性、高原子经济性的合成反应就尤为重要[1]。

一种有效提高合成效率的方法是将多个反应条件相似的反应结合起来一次性完成，将上一个反应得到的新官能团用于下一个反应，或是将上一个反应生成的活性中间体在合适的条件下直接进行下一步反应而跨越了取出中间产物这一环节。这样，在一次反应中形成多个化学键（还可能形成多个环），从而有可能将较简单的原料经过很短的步骤转化成很复杂的分子，这就是多米诺反应（domino reaction）。很明显，与传统的分步反应相比，巧妙的多米诺反应不仅能提高反应效率，还能大量减少浪费，如溶剂、试剂、能量等的损耗将大大减少[2]。

近五年来，随着研究的不断深入，出现了许多新的串联反应，特别是在光学活性天然产物分子的合成中，本文简单列举了近几年来自动串联催化技术的研究成果[3]。

2 串联催化

“串联催化”一词被Fogg和Santos定义为耦合催化，底物的顺序转型发生在两个或更多不同的机械过程中。由于串联催化涉及多个催化剂控制的化学反应，与催化的多米诺反应相比，单一的合成操作可能发生高度多样化的转变。

串联反应对于解决有机合成中的结构和效率问题具有强有力的优越性，突出表现在：（1）串联反应的中间体不需分离，直接用于原位反应，从而简化了操作步骤。对于敏感的、不稳定的中间体，这一优点尤为突出；（2）串联反应减少了溶剂、洗脱剂的用量和副产物的产生，有利于环保；（3）串联反应经常可以得到独特的化学结构，大多具有很高的选择性。总之，串联反应是一个高效率的反应，可将较简单的原料经过很短的步骤转化成很复杂的分子。因此，在复杂结构及天然产物的合成中，串联反应常常可以起到非常关键的作用。

Fogg和Santos[4]提出了串联催化分为三类，独立、辅助和自动串联催化，它们的分类是基于催化剂的效率。本文主要对独立串联与辅助串联催化反应进行介绍。

2.1独立串联催化

“独立串联催化”[5]由两个或更多的互不干的催化剂或催化胺，它们各自催化一个独立的化学转换。

催化剂X和Y是可以共存的，它们单独激活两个不同的反应，催化剂X催化底物A和B反应得到中间体C，而催化剂Y催化中间体C和试剂R反应得到产品D。催化剂必须在反应开始时加入。在独立串联催化作用下，第一个催化反应生成中间体C，随后的催化循环进行。独立串联催化操作效率高，但也有一定的缺陷，如催化剂的使用效率低，催化剂的回收难度高，此外还存在一个催化剂和其他催化循环的负相互作用的可能性。这是一个独立串联催化的例子[6]。第一阶段钌催化剂激活了丙炔醇与丙酮的取代反应得到炔酮A，随后PtCl2催化A炔基化，其次二酮B分子内环化得到呋喃衍生物。这些反应是在兩种催化剂同时存在下先后发生的，反应中间体A和B是独立的。

2.2辅助串联催化

“辅助串联催化”仅使用一种催化剂，第一个催化循环完成后加入化学触发剂改变催化剂的种类并开始第二个催化循环。

在第一个催化循环阶段，催化剂X激活底物A和B生产中间体C，反应完成后，催化剂X在引发剂T的作用下变为催化剂X1，然后新生成的催化剂X1促进另一反应得到产品D。因此，催化剂X的结构和性质被引发剂T改变，以两种不同的形式存在。在原则上，在这种催化作用下，两个催化循环不能同时进行，因为这两个不同的催化物质不能共存；因此负相互作用在这个催化剂和其他催化剂或反应之间是最小的，然而操作的简单性低于其他反应，因为完成监测第一次转型和化学引发剂的加入是必要的。

3 小结

近年来，串联催化反应的研究取得了很大的进展，越来越多的关于独立串联与辅助串联催化反应的研究被报道，更加高效、高选择性、与环境友好型的绿色化学策略，已成为现代有机化学发展的必然趋势。对于有机合成化学家们来说，目前最大的挑战可能就是寻求更加优越的合成方法与反应以得到目标产物。

参考文献

[1]钱荣，硫酸催化的有机化学反应[J].试题与研究：教学论坛，2011，31（4）：55-60.

[2]罗佗平，有机化学中的多米诺反应[J].有机化学，2004.8：19（4）

[3]D. E. Fogg，E. N. dos Santos，Coord. Chem. Rev. 2004，248，2365-2379.

[4]J.-C. Wasilke，S. J. Obrey，R. T. Baler，G. C. Bazan，Chem. Rev. 2005，105，1001-1020.

[5]Y. Nishibayashi，M. Yoshikawa，Y. Inada，M. D. Milton，M. Hidai，S.Uemura，Angew. Chem. 2003，115，2785-2788；Angew. Chem. Int.Ed. 2003，42，2681-2684.