第三章金属有机化合物在有机合成中的应用第一部分金属有机化合物概述
一、什么是金属有机化合物？
金属有机化合物，简单的说，就是碳原子和金属原子直接相连的化合物。

最经典的金属有机化合物包括格氏试剂、丁基锂等；后来研究范围扩展到过渡金属有机物。

金属与碳直接键合的“有机的”化合物才是金属有机化合物
含B—C，Si—C，P—C等键的有机化合物，在制法、性质、结构等方面与金属有机化合物很相似，可称它们为元素有机化合物或类金属有机化合物并把它们放在金属有机化学中讨论。

广义金属有机化合物，将硫、硒、碲、磷、砷、硅、硼等带有金属性质的非金属都算成金属，实际上已经超越了经典金属有机化合物的范畴。

但是由于元素有机化学和金属有机化学有着千丝万缕的联系，将其混在一起也不致引起太大的混乱。

二、金属有机化合物的分类
总体上可分为二大类：即非过渡金属有机化合物和过渡金属有机配合物。

(1) 非过渡金属有机化合物：包括主族金属有机化合物和类金属（元素）有机化合物。

主族金属的d层轨道中已填满了电子，用s、p轨道中的电子与有机基团成键。

(2) 过渡金属有机配合物：主要是指由过渡金属与有机基团所形成的化合物。

过渡金属除s、p轨道外，d轨道的电子也参加成键。

配位不饱和的过渡金属有机配合物存在空轨道，为它们作为催化剂和有机合成试剂提供了条件。

非过渡金属有机化合物通常包括三类：第一类：主族金属有机化合物
第一族的锂、钠、钾
第二族的铍、镁、钙
第十三族的铝、镓、铟、铊
第十四族的锡、铅
第十五族的铋
第二类：第十一、十二族金属有机合物第十一族的铜、银、金
第十二族的锌、镉、汞
CuLi
RCu R
2
第三类：元素有机化合物
第十三族的硼
第十四族的硅
第十五族的磷、砷
第十六族的硫、硒、碲等所形成的有机化合物
用于形成非过渡金属有机化合物的金属包括：
过渡金属有机配合物
主要是指由第三~第十族的过渡金属形成的有机物
几种有代表性的过渡金属配合物
三、金属有机化合物的发展历程
下面按时间顺序来说明金属有机化合物产生和发展及其规律以及在实践中的应用，并探讨学科的研究方法。

1827年，丹麦药剂师蔡司（W. C. Zeise）在加热PtCl2/KCl 的乙醇溶液时无意中得到了一种黄色的沉淀，由于当时的条件所限，他未能表征出这种黄色沉淀物质的结构。

现已证明，这个化合物为金属有机化合物。

这个无意中得到的第一个金属有机化合物，标志着无机化学与有机化学的交叉学科--金属有机化学的开端。

而这一发现竟然比德国化学家维勒的尿素合成还要早一年。

从Zeise盐的配位结构可以看出，乙烯中成键π轨道被两个电子所占据，而反键π* 轨道是空轨道，没有电子占据。

Zeise盐中的过渡金属Pt2+为d 8 构型，依照d 轨道的线性组合，五个d轨道的前四个分别被8个电子所占据，剩下的一个d轨道可以与外层的6s、6p轨道杂化成dsp2 杂化轨道，其中三个与Cl成σ键，另一个轨道接受乙烯的一对π电子形成双电子三中心的σ配位键，这时乙烯就是电子给予体，同时由于乙烯还有空的反键π* 轨道，也可以接受Pt2+上d 轨道上的一对电子，形成了所谓的反馈π键。

第一个系统研究金属有机化合物的是英国化学家Frankland。

1849年，他用碘甲烷和锌反应得到了二甲基锌(CH3)2Zn。

这是第一个含金属-碳σ键的金属有机化合物。

随后，他又合成了
CH3HgI和B(CH3)3、Sn(C2H5)4，从而开创了用锌、汞有机化合物合成其他金属有机化合物及有机化合物的新领域。

经过长期的探索，Frankland掌握了处理对水及空气敏感物质的实验操作方法，这些方法也是目前的通用方法。

1887年：Reformatsky反应的发现
1899年法国里昂大学Barbier 教授用碘甲烷/镁与5-甲基-4-己烯-2-酮反应，水解后得到加成产物2, 5-二甲基-4-己烯-2-
醇。

这是格氏反应的萌芽，但还不是格氏反应，为什么？Barbier
反应的发现
其学生Grignard作为博士论文课题继续研究这一反应。

在一次实验中，Grignard将卤代烷和金属镁放入乙醚中，发现溶液开始变浑，接着沸腾起来，最终金属镁溶解了。

分析证明得到的是镁有机化合物，用RMgX表示。

在1901--1905年的五年时间内，他发表了200余篇有关镁有机化合物及其与有机化合物的反应方面的文章。

由于他及以后百余年来各国化学家的努力，形成了用镁有机化合物进行有机合成的巨大宝库。

现在人们称镁有机化合物为格氏试剂(Grignard reagent)，镁有机化合物同其它有机化合物的反应称为格氏反应(Grignard reaction)。

格利雅（V.Grignard）试剂及反应直到今天仍被广泛应用，可称为有机合成中最重要的反应之一。

由于他的卓越贡献，1912年，他获得了诺贝尔化学奖，这也是第一个获得诺贝尔奖的金属有机化学家。

1930年，Ziegler在Schlenk的基础上改进了烷基锂的制法并将它用于有机合成上，将其发展成为几乎能与Grignard试剂相提并论，又各有特点的一种有机合成新试剂。

R-X + 2 Li →R-Li + LiX
Schlenk实验装置
二茂铁是1951
年由英国Kaely 和Pauson 与美国Miller 等两组科学家独立合成的。

Pauson 等本来是想用环戊二烯基格氏试剂与氯化铁反应合成富瓦烯，结果却得到了一个分子式为Fe(C 5H 5)2的新化合物。

二茂铁的合成
Wilkinson 和Fischer 看到这个报道后，认为Fe-C 间有σ键的化合物不应那么稳定，提出环戊二烯的五个碳原子像夹心面包那样键合在铁的上下。

后来，IR 、NMR 及X 射线解析等方法也进一步证实了这一结构。

最初Pauson 等认为这个稳定的桔黄色晶体的结构是Fe 与环戊二烯基以σ键连接。

sandwich
Wittig Reaction
1965年，过渡金属配合物催化甲醇的羰基化反应：乙酸的合成
氧化加成、转移插入和还原消除等基元反应
布洛芬合成路线的改进
•旧的合成路线α
-甲基-4-(2-甲基丙基)苯乙酸
CH 3CO 2H H 3C CH 3
•改进后的合成路线
与原方法相比，目标产物合成的原子经济性大幅度提高。

其反应依据：过渡金属配合物催化下的醇的羰基化反应。

到20世纪70年代末，结合金属有机化合物的催化和选择性这两个性质，过渡金属催化的不对称合成得以逐渐发展起来。

其中，Monsanto公司的诺尔斯(W. Knowles)立体选择性地合成了治疗帕金森病的特效药L-Dopa，开创了不对称催化的新纪元。

这又是人们利用金属有机化合物的某些优良特性，然后放大、组合来为人类造福的例子。

L-多巴(L-dopa)用于治疗帕金森氏症，其对映体D-dopa不仅无效，而且不易分解代谢，在体内积累起来，长期服用具有毒副作用。

自然界存在的
许多化合物是
有手性的，也
就是说它本身
与它的镜像不
能完全重合，
就像人的左右手一样。

在分子水平上，生物系统是由生物大分子组成的手性环境。

手性药物对映体进入生物体内，将被手性环境作为不同的分子加以识别匹配。

对映体在药效学、药物动力学、毒理学等方面均存在立体选择性。

在许多情况下，化合物的一对对映体在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等存在显著的差异。

使用单一对映体的必要性(1)只有一种对映体具有所要求的药理活性，(++) 或(+)
而另一种对映体则没有显著的药理作用；
(2) 一对对映体中的两个化合物都有等同的或(--)
近乎等同的定性和定量的药理活性；
(3)两种对映体具有定量上等同，但定性上不同的活性；(+)或(++)
(4)各种对映体具有定量上不同的活性；(+) 或(-)
如何拆分？
在过渡金属配合物用于不对称合成这一研究领域作出卓越贡献的三位科学家诺尔斯、沙普勒斯和野依良治三位金属有机化学家于2001年共同获得了诺贝尔化学奖。

这次获奖的是法国学者伊夫·肖万（Yves Chauvin）和美国学者理查德·施罗克（Richard R. Schrock）、罗伯特·格拉布（Robert H. Grubbs），以表彰他们在烯烃复分解反应研究方面做出的贡献。

烯烃复分解反应是有机化学中最重要也是最有用的反应之一，在当今世界已被
广泛应用于化学工业，尤其是在制药业和塑料工业中。

伊夫·肖万罗伯特·格拉布理查德·施罗克继2001年诺尔斯、沙普勒斯和野依良治获得诺贝尔化学奖后，2005年的诺贝尔化学奖再次颁给金属有机化学家。

这类反应的完成需要特殊的催化剂，即过渡金属卡宾化合物。

利用配位不饱和的过渡金属有机配合物与重氮化合物反应放出氮气，得到过渡金属卡宾配合物，这是合成Schrock卡宾配合物常用的方法。

反应机理：
这类反应的一个最重要应用是合成环状化合物。