陰離子N-雜環卡賓研究進展

孔 勇

(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

N-雜環卡賓及其金屬化合物已廣泛應用于烯烴復分解反應、Heck偶聯反應、不對稱催化、Suzuki偶聯反應和Kumada偶聯反應等多種有機反應[1-3]。但簡單N-雜環卡賓高價金屬配合物容易發生原位還原消除，導致催化反應終止或效率降低。針對這一難題，人們通過在N-雜環卡賓邊臂引入多種官能團，以提高N-雜環卡賓金屬配合物的穩定性[4-5]。其中，陰離子官能團不同于中性官能團，可以與金屬直接成鍵，不僅可形成螯合骨架結構，增強金屬配合物的結構剛性，阻止內部原子翻轉造成構型變化，提高催化選擇性，同時還能加強N-雜環卡賓對金屬的親和性，防止高價金屬還原消除，使配合物具有很好的熱穩定性，提高對各種基團的耐受性[6]。

近年來，已經有多種陰離子官能團被引入N-雜環卡賓配體的邊臂[7]。根據引入陰離子官能團成鍵原子的不同，陰離子N-雜環卡賓主要分為C、N、O和S陰離子N-雜環卡賓[8-9]。結合相關研究成果，對C、N、O和S陰離子N-雜環卡賓的研究和應用情況進行評述。

1 C陰離子N-雜環卡賓

C陰離子N-雜環卡賓配體是將苯基、茚基和芴基等官能團引入N-雜環卡賓的側臂，進一步通過環金屬化或強堿負離子化與金屬化合物反應，制得相應的N-雜環卡賓金屬配合物。

Rubio等[10]利用1,5-間二溴苯與咪唑反應制得間二苯咪唑鹽，與Zr(NMe2)4反應得到環金屬化混合物，二者比例是91∶9，加入MeI則可制得Zr的碘化物。Cho等[11]將N-雜環卡賓Zr配合物與[Rh(COD)Cl]2反應，通過轉移金屬化得到環金屬化Rh的配合物和I橋聯配合物。將上述Rh配合物應用于氫胺化反應，發現2.5%的Rh配合物催化反應2 h，轉化率達到98%以上(圖1)。

n為正丁基圖1 苯基陰離子N-雜環卡賓金屬配合物合成Fig.1 Synthesis of phenyl anionicN-heterocyclic carbene metal complexes

環戊二烯基是金屬有機化學非常重要的一種基團，環戊二烯基引入N-雜環卡賓，可改善N-雜環卡賓對前過渡金屬配位能力，提高N-雜環卡賓配合物的催化活性[12]。環戊二烯基N-雜環卡賓主要通過單取代咪唑與氯代環戊二烯基烷烴反應制得。Downing等[13]利用這種方法分別合成了茚基和芴基N-雜環卡賓前體(圖 2)。

圖2 環戊二烯基陰離子N-雜環卡賓合成Fig.2 Synthesis ofcyclopentadienyl anionic N-heterocyclic carbene

Wang等[12]利用環戊二烯基N-雜環卡賓配體合成了一系列稀土金屬配合物(圖3)，并研究了其催化異戊二烯、降冰片烯和乙烯等烯烴的聚合活性。含有茚基的稀土配合物，催化異戊二烯配位聚合，12 h轉化率達到80%，所制得的聚合物分子量為37 000，分子量分布為1.44，3、4區域選擇性達到91%[14]。將茚基替換為芴基，則聚合物的3、4區域選擇性達到99%，玻璃化轉變溫度為40～49 ℃。催化降冰片烯和乙烯共聚反應，聚合物中降冰片烯單元含量最高為46%[15]。

圖3 茚基陰離子N-雜環卡賓稀土金屬配合物和芴基陰離子N-雜環卡賓稀土金屬配合物Fig.3 Rare earth complexes of indenyl functionalized N-heterocyclic carbene and fluorenyl-functionalized N-heterocyclic carbene

2 N陰離子N-雜環卡賓

N陰離子N-雜環卡賓根據官能團不同，可分為胺基N陰離子N-雜環卡賓、酰胺基N陰離子N-雜環卡賓和磺胺基N陰離子N-雜環卡賓[16-17]。目前研究最多的是胺基N陰離子N-雜環卡賓。

tBu為叔丁基圖4 胺基陰離子N-雜環卡賓稀土金屬配合物合成Fig.4 Synthesis ofamido anionic N-heterocyclic carbene rare earth metal complexes

Arnorld等[17]首先報道了利用單取代咪唑與銨鹽反應制得胺基N陰離子N-雜環卡賓前體，前體與2當量nBuLi反應，得到普通N-雜環卡賓Li配合物。Mungur等[18]繼續加入nBuLi得到N陰離子N-雜環卡賓Li配合物。N-雜環卡賓Li配合物與Ln(NSiMe3)3反應得到N陰離子N-雜環卡賓稀土配合物(圖4)[19]。其中，N陰離子N-雜環卡賓Y配合物對內酯開環聚合具有很好的催化活性，得到內酯開環聚合物為有規立構結構，分子量分布為1.5以下[20]。

N陰離子N-雜環卡賓Nd配合物與Me3SiI反應，可得到4位為三甲基硅基的碘代二聚物，其具有良好的反應活性[21]。在KC8作用下，脫去鹵素，與Ga卡賓反應得到第一例Ga卡賓配位的Nd化合物，與NaN3反應得到重氮配位二聚物，與K[FeCp(CO)2]反應則制得Fe-Nd鍵化合物，與ArNHK反應得到芳胺基Nd化合物(圖 5)[22]。

酰胺基陰離子N-雜環卡賓和磺胺N陰離子N-雜環卡賓研究較少。文獻[23-24]報道了酰胺基N陰離子N-雜環卡賓前體在K2CO3存在下，與PdCl2和NiCl2反應，生成雙N陰離子N-雜環卡賓Pd、Ni配合物(圖 6)。文獻[25-26]利用酰胺基N陰離子N-雜環卡賓前體與Ag2O反應，首先制得N陰離子N-雜環卡賓Ag配合物，進一步通過轉移金屬化得到N陰離子N-雜環卡賓Au配合物。

圖5 Nd配合物合成Fig.5 Synthesis ofNd complexes

圖6 酰胺基陰離子N-雜環卡賓金屬配合物合成Fig.6 Synthesis of amide anionicN-heterocyclic carbene metal complexes

圖7 磺胺N陰離子N-雜環卡賓 Pd 配合物合成Fig.7 Synthesis of sulfonamide anionicN-heterocyclic carbene Pd complexes

Chen等[27]以1,1′-聯-2-萘胺(BINAM)為原料通過逐步反應，合成了磺胺N陰離子N-雜環卡賓前體，進一步與Pd(OAc)2反應得到磺胺N陰離子N-雜環卡賓鈀配合物，該鈀配合物對Suzuki反應和Heck反應都具有很好的催化活性(圖 7)。

3 O陰離子N-雜環卡賓

O陰離子N-雜環卡賓是目前研究最多、應用最廣的陰離子N-雜環卡賓[28]。由于O陰離子N-雜環卡賓具有良好的配位能力，O陰離子卡賓金屬配合物幾乎涵蓋了所有金屬[29]。根據O所在官能團的不同，O陰離子N-雜環卡賓主要分為烷氧陰離子N-雜環卡賓、芳氧陰離子N-雜環卡賓、烯醇式陰離子N-雜環卡賓和磺酸根陰離子N-雜環卡賓[30]。

3.1 烷氧陰離子N-雜環卡賓

Arnold等[31]以烷基取代環氧丙烷與單取代咪唑反應得到內鹽形式前體，加入2 當量KH 和LiN(SiMe3)2負離子化，得到烷氧陰離子N-雜環卡賓K/Li配合物，進一步與CuCl2反應，根據比例不同，分別得到兩種銅配合物(圖8)。單陰離子烷氧N-雜環卡賓內鹽可有效催化ZnEt2對環己-2-烯酮的共軛加成反應，光學純度(ee)為51%，轉化率為100%[32]。

圖8 烷氧陰離子N-雜環卡賓金屬配合物合成Fig.8 Synthesis ofalkoxy anionic N-heterocyclic carbene metal complexes

Arnold等[33]還將此類配體與Y、Ti、Ce和U等金屬鹽反應得到相應的金屬配合物(圖9)。Ti配合物可有效催化D,L-內酯開環聚合，分子量分布為1.2左右，催化聚合機理為Lewis酸和Lewis堿雙官能團催化，M-carbene斷裂插入內酯為第一步反應[34]。

圖9 烷氧陰離子N-雜環卡賓Ti配合物合成Fig.9 Synthesis ofalkoxy anionic N-heterocyclic carbene Ti complexes

文獻[35]成功在苯并咪唑側臂上引入手性官能團，合成了烷氧陰離子N-雜環卡賓前體，通過Ag2O轉移金屬化與[Pd(MeCN)2Cl2] 反應，制得單核鈀配合物(圖 10)，加入K2CO3則生成雙核鈀配合物，加入HCl和HBF4生成相應的解聚產物。雙核鈀配合物可有效催化Heck偶聯反應和不對稱氧化偶聯反應，ee達到90%左右，產率達到60%[36]。

3.2 芳氧陰離子N-雜環卡賓

文獻[37]首先合成了聯萘酚羥基陰離子N-雜環卡賓前體，通過(±)-2,2-雙-(二苯膦基)-1，1-聯萘(BINAP)結構酚羥基胺與叔丁氧羰基(Boc)保護醛反應，再經HC(OEt)3關環反應得到N-雜環卡賓前體，前體與Ag2O/Ag2CO3反應得到二核Ag簇合物(圖11)。由于配體位阻較大，可有效防止配合物分解，便于保存?；谶@種特性，Ag卡賓配合物可用于合成其他金屬配合物和有機催化研究[38]。Ag卡賓配合物CH2Cl2溶液中，加入CuCl2·2H2O生成二核銅配合物，而加入Grubbs-Hoveyda一代催化劑，則得到具有手性結構的新型復分解催化劑[39]。此外，文獻[40-41]還合成了聯苯酚羥基陰離子N-雜環卡賓前體，合成方法與聯萘酚羥基陰離子N-雜環卡賓類似，并分別制得了Ag、Cu和Ru金屬配合物。

Crabtree等[42]利用一鍋法合成了聯萘咪唑(產率為40%)，與溴代烷烴反應制得N-雜環卡賓前體，進一步加入[M(COD)Cl]2反應，得到此類配體Rh和Ir的配合物(圖12)。Rh和Ir金屬配合物可有效催化苯乙酮的不對稱氫硅化反應，30 min轉化率達到98%，催化選擇比例為97∶3。

圖10 陰離子N-雜環卡賓鈀配合物合成Fig.10 Synthesis of anionicN-heterocyclic carbene Pd complexes

圖11 手性聯萘酚陰離子N-雜環卡賓金屬催化劑合成Fig.11 Synthesis of chiralbinaphthol anionic N-heterocyclic carbene metal catalysts

圖12 聯萘酚陰離子N-雜環卡賓Rh和Ir配合物合成Fig.12 Synthesis ofbinaphthol anionic N-heterocyclic carbene Rh and Ir complexes

水楊醛席夫堿結構配體是一種通用配體，尤其在烯烴催化聚合領域，其良好配位能力和廣泛適用性，幾乎所有金屬配合物都已經制備出來，金屬配合物更是擁有著其他配體所不具備的超高活性[43-45]。螯合鄰酚羥基N-雜環卡賓配體從結構上與水楊醛席夫堿相似，因此設計此類配體及其金屬配合物非常有意義[46]。Waltman等[47-48]首先報道了具有水楊醛席夫堿骨架結構的陰離子N-雜環卡賓前體，經KN(SiMe3)2(KN″)負離子化后，加入PdClMe(PR3)2和NiBrMes(PPh3)2分別得到中性鈀和中性鎳產物，但并未研究其催化性能(圖13)。

圖13 鄰酚羥基飽和N-雜環卡賓金屬配合物合成Fig.13 Synthesis of o-Aryloxide saturated N-heterocyclic carbene metal complexes

Ledoux等[49]將此類配體應用于甲基異丙基苯(Ru-cymene)化合物合成(圖14)。將鄰酚羥基飽和N-雜環卡賓配體與2當量堿負離子化，加入[(p-cymene)RuCl2]2反應得到此類配體的Ru配合物，加入HCl得到Ru—O鍵斷裂的產物，進一步與AgOTf反應得到陰離子被OTf取代的產物。[(p-cymene)RuCl2]2+PR3是一種原位烯烴復分解催化劑，加入三甲硅烷重氮甲烷(TMSD)等引發劑，催化效率明顯提高。但是此類配體Ru配合物催化降冰片烯(NB)效果一般，不加TMSD引發劑產率只有20%，分子量為108 000，而分子量分布過高，為3.8，加入苯乙炔或TMSD，產率提高至30%左右，分子量分布為3.0，分子量為200 000～500 000[50]。

圖14 鄰酚羥基飽和N-雜環卡賓Ru配合物合成Fig.14 Synthesis of o-Aryloxide saturated N-heterocyclic carbene Ru complexes

相對于此類飽和N-雜環卡賓研究較多，不飽和N-雜環卡賓研究較少，主要原因是合成困難[51-52]。Kong等[53]通過單取代咪唑與2,4,6-三叔丁基-4-溴-苯醌反應，在乙二醇中、110 ℃下得到陰離子鄰酚氧基N-雜環卡賓前體(圖15)，經2當量的 BuLi負離子化，與[(allyl)PdCl]2反應得到烯丙基鈀配合物，可有效催化Suzuki偶聯反應(產率為99%)。將此配體與Pd(AcO)2和Ni(AcO)2等反應成功制得其鈀和鎳配合物[54-56]。雙鄰酚氧基N-雜環卡賓鈀配合物以MAO為助催化劑，催化降冰片烯加成聚合，催化活性達到107g PNB/(mol Pd·h)[57]。雙鄰酚氧基N-雜環卡賓鎳配合物催化降冰片烯加成聚合，催化活性達到106g PNB/(mol Ni·h)[58]。與雙鄰酚氧基N-雜環卡賓鈀配合物相比，鄰酚氧基N-雜環卡賓環鈀化合物催化降冰片烯加成聚合，催化活性提高2～3倍，且MAO用量降低[59]。

Kong等[60]進一步將鄰酚氧基N-雜環卡賓配體引入Ru-Arene 催化體系，分別開發出新型Ru-cymene和Ru-benzene催化劑(圖16)。不需加入引發劑或光照引發，Ru-Arene 催化體系可高效快速催化降冰片烯開環易位聚合，降冰片烯聚合物具有超高分子量(>106)，分子量分布較窄[61]。兩種催化劑均可催化降冰片烯與環辛烯單體的共聚反應，交替共聚率達到53%[62]。

圖15 鄰酚羥基N-雜環卡賓Pd、Ni配合物Fig.15 Pd and Ni complexes of o-Aryloxide N-heterocyclic carbene

圖16 Ru-Arene催化劑Fig.16 Ru-Arene catalysts

Boydston等[63]成功合成陰離子苯并咪唑卡賓金屬配合物，首先通過鄰硝基氟苯多步反應制得陰離子苯并咪唑卡賓前體，總產率達到80 %以上。在不加入堿的情況下，前體與M(OAc)2反應(M=Pd、Ni、Pt)，得到普通卡賓配位的產物，加入Na2CO3等堿得到陰離子苯并咪唑卡賓配位產物(圖17)。

圖17 苯并咪唑鄰酚羥基N-雜環卡賓金屬配合物合成Fig.17 Synthesis ofbenzimidazolylidene o-Aryloxide N-heterocyclic carbene metal complexes

Yagyu等[64]報道了鄰芳氧雙陰離子N-雜環卡賓配體與PdCl2反應得到鈀化合物，可有效催化Heck反應，150 ℃下反應2 h，底物轉化率達到99%，轉化數為495。Bellemin-Laponnaz等[65]、Romain等[66]將雙氧陰離子飽和N-雜環卡賓前體應用于Ti、Zr、V、Mn等前過渡金屬化合物合成。Zhang等[67]利用雙氧陰離子N-雜環卡賓前體經NaN(SiMe3)2負離子化與第四族金屬氯化物MCl4(THF)2反應得到Ti和Zr的配合物(圖18)。Al∶Ti=1 000∶1，催化乙烯聚合，活性為2.9×103g /(mol Ti·h·kPa)，分子量為3.98×104，分子量分布為4.65，聚合物熔點135 ℃[68]。

圖18 Ti、Zr聚合催化劑合成Fig.18 Synthesis of Ti andZr polymerization catalysts

3.3 烯醇式氧陰離子N-雜環卡賓

烯醇式氧陰離子N-雜環卡賓主要通過酮羰基異構形成，但由于烯醇異構是一個可逆過程，因此這種結構難以進行調控，目前關于這一種陰離子的報道較少[69]。

Waymouth等[70]利用烯醇式氧陰離子N-雜環卡賓配體與烯丙基氯化鈀反應制得烯醇式氧陰離子N-雜環卡賓配位的烯丙基鈀配合物，加入過量MeI得到普通N-雜環卡賓配位產物，配體經2 NaN″負離子化，與Ni(COD)2反應，成功制得這種配體的中性鎳化合物。該中性鎳化合物不需加入助催化劑催化乙烯聚合，1 500 kPa、60 ℃，催化活性為560 g/(mol·h·kPa)，所得聚合物為高度無支化產物，分子量分布為2.1，分子量為4 000[71]。烯醇式氧陰離子N-雜環卡賓配體經NaHMDS負離子化與烯丙基氯化鎳反應則得到相應的烯丙基鎳配合物，以ZnEt2為助催化劑，催化乙烯聚合，1 500 kPa、60 ℃催化活性為175 g/(mol·h·kPa)，所得聚合物為高度無支化產物，分子量分布為10.8，分子量為1 600(圖19)。

圖19 烯醇式陰離子N-雜環卡賓金屬配合物合成Fig.19 Synthesis ofenolate anionic N-heterocyclic carbene metal complexes

此外，Legault等[72]利用類似N-雜環卡賓配體通過AgOAc轉移金屬化，加入CuCl2·2H2O，經過雙鍵重排反應，生成雙烯醇式氧陰離子N-雜環卡賓配位的二價銅配合物。

3.4 磺酸根氧陰離子N-雜環卡賓

磺酸根氧陰離N-雜環卡賓是在N-雜環卡賓邊臂引入磺酸基團，并利用磺酸基團與金屬成鍵。文獻[73-75]利用磺酸根陰離子N-雜環卡賓配體，與Ag2O反應得到雙核銀配合物，應用于Cu催化體系，發現雙核銀配合物可高效催化有機硼烷對端炔加成，轉化率為98%，選擇性為98∶2(圖20)。

圖20 磺酸根陰離子N-雜環卡賓Fig.20 Sulfonateanionic N-heterocyclic carbene

文獻[76]以2,2′-雙-(二苯膦基)-1,1′-聯萘骨架原料，合成了含有磺酸基團的陰離子N-雜環卡賓。加入Pd(OAc)2和Cs2CO3得到磺酸根陰離子N-雜環卡賓鈀配合物，加入AgOAc得到陰離子交換產物?；撬岣庪x子N-雜環卡賓鈀配合物催化Suzuki-Miyaura反應，6 h轉化率達到90%[77]。

4 S陰離子N-雜環卡賓

S陰離子N-雜環卡賓是目前研究最少的陰離子N-雜環卡賓。Sellmann等[78]成功設計合成了雙硫陰離子N-雜環卡賓Ni化合物，首先利用Ni化合物與CH(OEt)3反應，得到雙硫陰離子N-雜環卡賓Ni二聚產物，再利用金屬試劑和親核試劑解聚，得到單核鎳化合物，通入CO則可得到CO插入Ni—C鍵產物(圖21)。

LM=KCN、 LiMe、NaSPh圖21 陰離子N-雜環卡賓Ni化合物合成Fig.21 Synthesis of anionicN-heterocyclic carbene Ni complexes

Cabeza等[79-80]通過C—S鍵斷裂合成了類似的S陰離子N-雜環卡賓鈀配合物。利用N-雜環卡賓前體陸續與CF3SO3Me和[Pd(DBA)2]反應，最終得到S陰離子N-雜環卡賓鈀配合物。

5 結論

近年來，人們陸續開發出多種含有陰離子官能團的N-雜環卡賓配體及其金屬配合物。陰離子官能團能提高N-雜環卡賓金屬配合物的穩定性，由于螯合結構剛性，使其在不對稱催化和聚合反應研究中顯示出良好的催化選擇性。與C、N和S陰離子N-雜卡賓金屬化合物相比，O陰離子N-雜卡賓金屬化合物研究最為深入，芳氧陰離子N-雜環卡賓在有機催化和烯烴聚合等領域均展現出良好應用前景。今后陰離子N-雜環卡賓研究應主要集中在以下兩點。

(1)深入開展烯烴聚合研究: 芳氧陰離子N-雜環卡賓金屬配合物在乙烯聚合和降冰片烯聚合等方向表現出良好的催化活性，但尚需進一步拓展烯烴單體種類和開展不同烯烴共聚研究。

(2)開展不對稱催化研究: 陰離子N-雜環卡賓金屬配合物在多種催化反應中表現出良好的催化選擇性，但應進一步加強手性陰離子N-雜環卡賓金屬配合物在烯烴復分解、偶聯和氫硅化等不對稱催化研究中的應用。