氮杂环卡宾-镍氢催化剂在交叉氢烯基化反应上的应用

烯烃在高分子材料和医药行业有很广泛的应用，是现在有机合成反应中常见的原料和重要中间体。α-烯烃和内双键烯烃比较常见，它们可由石油裂解及烯烃复分解反应、交叉偶联反应、氢乙烯基化反应等化学合成方法获得，但非对称1,1-双取代端烯（unsymmetricgem-olefin）的来源却仍很受限制。1,1-双取代端烯通常是通过以非对称酮为原料的Wittig反应获得，且只能在实验室中少量制备。最近的文献报道，使用膦配体的零价Ni催化剂催化的分子间Heck反应和烯氢化反应，当以α-烯烃为其中的一种合成原料时，成功获得了非对称1,1-双取代端烯，然而在放大反应时却要面对卤代原料来源等问题。

理论上，利用L-Ni(II)H催化剂配合两种不同的α-烯烃进行交叉氢烯基化反应（cross-hydroalkenylation），便可更绿色地制备非对称1,1-双取代端烯，这不仅具有原子经济性强等特点，而且原料廉价及具多样性。[1] 然而在研究中却发现，传统的R3P-Ni(II)H催化系统用于合成含有内双键的烯烃产物十分有效，但在合成1,1-双取代端烯时的效率却非常低。主因是传统的膦配体催化体系对α-烯烃的2,1-位插入反应有强烈的亲向性，这种区域选择性不利于1,1-双取代端烯的生成。同时烯烃异构化的问题，也让底物应用范围受限。N-杂环卡宾（NHC）是一类新型的金属有机催化剂配体，它具有很强的供电子效应和立体效应等特点。我们认为使用它代替膦配体或有助于获得新的反应性与区域选择性，互补传统以膦为配体的反应结果。

本微综述总结了本课题组近年以NHC为Ni(II)H催化剂配体的成果。在苯乙烯、乙烯基硅、乙烯基醚等烯烃与α-烯烃进行分子间的交叉氢烯基化反应时，成功改变了以往二次插入反应中的区域选择性，获得了多种合成非对称1,1-双取代端烯的新方法（图1）。[2-6] 在这些反应中，苄基的稳定作用、硅烷基团的位阻效应和乙烯基醚的电子效应是控制化学选择性和首次插入反应区域选择性的关键（图2）；在进行二次插入反应时，NHC配体的电子效应和立体效应对烯烃1,2-位插入反应的影响，是生成非对称1,1-双取代端烯产物的关键因素，再经过氢原子的消除后，释放出 1,1-双取代端烯及再生 NHC-Ni(II)H 催化剂。此外，这些反应结果也显示了大位阻 NHC 配体在反应体系中的调节作用，它能有效减少以往利用膦配体时常见的乙烯基硅烷β-硅消除副反应、乙烯基醚类化合物倾向于进行多聚或配位反应使催化剂失活等问题。[5,6] 在上述理论的综合指导下，多种的芳香烯烃、乙烯基醚及乙烯基硅等年产数百万吨级的烯烃便能成为一步合成稀有的、含官能团的1,1-双取代端烯的原料，互补了烯烃复分解反应获得内烯烃的结果。

图1. Chemo and regioselectivity hydroalkenylation by NHC-Ni(II)H(OTf).

图2. Proposed catalytic cycle that accounts the observed selectivity.

NHC-Ni(II)H催化剂不仅能够有效地催化烯烃分子间氢烯基化反应，同样也能够有效地催化烯烃分子内氢烯基化反应。[7] 这些非对称双烯烃环异构化反应成功的关键在于NHC的电子效应、立体效应与底物杂原子的配位能力之间的相互配合，提供了区分两端孤立双键的条件，然后进行具有化学选择性和位置选择性的首次插入反应。该反应能在高底物浓度进行，且具有获得高杂环比碳环的选择性，在合成含有中等杂环的产物上有更突出的优势。以1,n-双烯为底物，它是首例依从nγ-exo-trig路线进行环异构化反应的技术，获得了以往技术难以获得的结果，而且还显示了较广泛的普适性（图3）。

图3. New cycloisomerization profile directed by NHC.

烯烃的不对称合成（asymmetric alkene synthesis）是有机化学研究中的热点。我们课题组最近在研究手性 NHC 催化不对称合成 1,1-双取代端烯时，发现了一种新的能提升某一手性NHC 手性诱导能力的方法（图4）。[8,9]在对手性NHC N-芳环的远程电子效应的系统性研究中发现，在不改变NHC碳骨架的情况下，通过引入适当的电子活化基团，便能使产物的非对映选择性有所提升。

图4. Electronic effect of NHC on Asymmetric Ni catalysis

虽然在机理方面还有争论，但是现有的结果表明，在Ni-NHC N-芳环对位引入吸电子基团可使手性信息更接近反应中心，而且这一现象不太可能是由于芳环的π-π叠加或反馈效应造成的。需要注意的是，由于烯烃都是给电子体，经过优化的 NHC 和不同取代基的苯乙烯之间是不会出现电子效应不匹配的现象的，所以不论苯乙烯带的是吸或是供电子基团，ee值均可提升。有了这个新的优化方向，结合以往只通过空间效应优化的系统，就有了能够进一步提高NHC手性诱导能力的机会。

综上，NHC-Ni(II)H 催化剂在烯烃氢烯基化反应中，显示出很好的催化效率，卓越的化学、非对映和位置选择性；能直接以大宗烯烃为原料一步合成非对称及具光学活性的1,1-双取代端烯，与传统的烯烃合成方法形成很好的互补。我们期望新发现的技术及概念可以应用到别的反应系统中，同时期望以官能团化的1,1-双取代端烯为原料开发新聚烯烃材料。

参考文献：