烯烃复分解反应综述

1、 2 0 0 4 年第2 4 卷 第9 期， 1 0 0 4 一 1 0 1 7 有 机 化 学 C h i n e s e J o u r n a l o f O r g a n i c C h e m i s t ry V o l . 2 4, 2 0 0 4 N o. 9. 1 0 0 41 0 1 7 综述与进展 钉催化烯烃复分解反应的研究进展 李蕊琼傅尧刘磊郭庆祥 ( 中国科学技术大学化学系合肥 2 3 0 0 3 6 ) 摘要综述了近年来在钉催化的烯烃复分解反应领域中的研究进展 着重介绍了该反应的各种基本类型的现状、 应用和巫 待解决的问题， 并介绍了反应的机理以及催化剂的改进.

2、关键词钉， 烯烃复分解反应， 金属卡宾络合物， 催化反应 P r o g r e s s i n R u - C a t a l y z e d O l e f i n Me t a t h e s i s R e a c t i o n s 1 1 , R u i - Q i o n g F U , Y a o L I U , L e i G U O , Q i n g - X i a n g D e p a r t m e n t of C h e m i s t r y , U n i v e r s i t y of S c ie n c e a n d T e c h n o lo

3、g y of C h i n a ， H ef e i 2 3 0 0 2 6 ) A b s t r a c t R e c e n t d e v e l o p m e n t s i n o l e f i n m e t a t h e s is r e a c t i o n s c a t a l y z e d场 R u - c a r b e n e c o m p l e x e s w e r e re v i e w e d . D i s c u s s e d i n d e t a i l w e re t h e b a s i c c a t e g o r

4、i e s o f t h e m e t a t h e s i s r e a c t i o n s a n d t h e i r p re s e n t s t a t u s , a p p l i c a t i o n s a n d u n s o l v e d p r o b l e m s . W e a l s o d i s c u s s e d t h e m e c h a n i s m o f t h e m e t a t h e s i s re a c t io n a n d t h e i m p r o v e m e n t o f t h

5、 e c a t a l y s t s . K e y w o r d s R u , o l e f i n m e t a t h e s i s , m e t a l - c a r b e n e c o m p l e x , c a t a l y t i c r e a c t i o n 烯烃复分解反应( o l e f i n m e t a t h e s i s ) 是由金属烯烃络合物 ( 又称金属卡宾) 催化的不饱和碳碳双键或者叁键之间的碳 架重排反应( S c h e m e 1 ) 1 ) . 该反应使得在通常意义下呈化学 惰性的双键和叁键能够彼此偶联， 极大地

6、拓展了人们在构造 化合物骨架时的想象空间. 同时， 由于烯烃复分解反应具有 反应条件温和、 产率较高的特点， 而且绝大多数的有机基团 在这一反应中无需保护， 所以近年来该反应受到了学术界和 工业界的广泛重视. R 1 烯烃复分解反应的发现和发展 口 ( n一 1 ) R十咨歼 R ， 口 R - 1:1 - R ROCM ROMP R CM CM S c h e me l 早在2 0 世纪 5 0 年代中期， 烯烃复分解反应就已被发 现 2 ) . 当时的 催化剂主要是由 过渡金属盐与主族烷基试剂或 固 体支撑底物混合形成， 被称作不明结构的催化剂( i ll - d e fi n e d c

7、 a t a l y s t ) ， 如W C h / B u 4 S n , W0 3 / S i O 2 , R e 2 0 7 / A 12 0 3 等. 由于它们成本较低且容易合成， 因此在一些大规模的合成应 用中发挥了一定的作用一 个重要的例子是 S h e ll 高级烯烃 合成法 3 1 . 然而， 这些催化剂所要求的反 应条件通常较为苛 刻， 往往需要强路易斯酸等助催化剂的参与， 因此不少官能 团 在反应中 会受到破坏. 2 0 世纪6 0 年代中期到7 0 年代末， 出现了结构明确的催 化剂( w e ll - d e f in e d c a t a l y s t ) 用以

8、 催化烯烃复分解反应 5 - 8 1 . 这 些催化剂一般具有较好的引发性和较高的催化活性. 它们催 化的烯烃复分解反应通常无需苛刻的反应条件( 如强路易斯 酸的存在) ， 反应条件温和， 甚至在空气以及潮湿的环境下， 催化性能几乎不受影响. 此外， 这类催化剂对官能团有较高 的 稳定性. 主要的催化体系为钨、 钥、 和钉， 其中以钉最为突 出. E - m a i 卜甲g u o u s t c . e d u . e n R e c e i v e d O c t o b e r 8 , 2 0 0 3 ; r e v is e d a n d a c c e p t e d F e b

9、r u a r y 1 6 , 2 0 0 4 国家自 然科学基金( N o . 2 0 3 3 2 0 2 0 ) 资助项目. 万方数据 N o . 9 李蕊琼等: 钉催化烯烃复分解反应的研究进展1 0 0 5 到2 0 世纪8 0 年代初， 人们开发出早期的钉催化剂1 和 2 用以催化烯烃复分解反应 2 0 世纪9 0 年代初， 钉催化剂主 要以磷烷基和卤原子为配体， 代表性的催化剂为3 和4 ， 称 之为第一代催化剂. 2 1 世纪初最新发展起来的第二代催化 剂5 , 6 , 7 ( S c h e m e 2 ) ， 以 氮 杂环卡宾为配体 4 1 ， 不仅能够在 温和的条件下催化烯烃

10、复分解反应， 而且催化的活性、 产率、 转化率都很高. G r u b b s 工作组合成第一个钉卡宾络合物 14 1 . 用三苯基麟代 替三环己 基配体可提高催化活性， 但其引发速度较慢; 若在 卡宾位引人氟代苯基( 催化剂8 ) ， 则可同时提高链的引发和 增长速率. 凡-凡 P以!P C l t, , C lz 娜州 N Me z P P 尸 M e z ， R u =C = = 即 了A r3 C I P Ar 3 _ C Y 3/ P h Ru- P C Y 3 3 X 1 , _ 一 / 二 入 R u 二 二 二 /P h x i P C Y 3 4 2 . 1 . 1 对称结构

11、的R O C M B l e c h e r t 等曾 研究过对称取代降冰片烯( n o r b o r n e n e s 叉 的 R O O M 反 应 15 1 . 在钉卡 宾络合物的 催化下， 降冰片 烯与稍过 量的末端烯烃的反应， 生成一种区域选择性产物， 而且产率 很高. 有时该反应的催化剂用量仅为0 . 0 7 m o l %， 因而有着 很高的 效 率 16 7 ( S c h e m e 3 ) . / 一入 M e s N. . NM e s山，、一 。 TB S + 、一 3 ( X=C l) ( 5 m o l %) C H 2 C 12 , 2 5 0 C Me CI

12、 / 一 、 1 . NMe s - -O T B S 1 . 5 h , 9 8 % , ,% C I T B S O - . ,灼 一 O T B S C l P h P C y 3 6 rjs= Me 3 C C H 2 .c 寻，.，. _ ( E / Z=1 1 5 ) S c h e me 2 2 钉催化烯烃复分解反应的各种类型及其应用八、 + 、 S i Me 3 3 ( X= C 1 ) ( 0 . 0 7 m o l % ) C H 2 C 1 2 , 2 5 0 C 1 . 5 mi n , 9 4 % 目 前研究最多的主要有三个类型的烯烃复分解反应 ( S c h e m

13、 e 1 ) : ( 1 ) 开环易位复分解反应( R O O M : ri n g - o p e n i n g c ro s s m e t a t h e s i s ) 以及开环复分解聚合反应( R O M P : ri n g - o p e n i n g m e t a th e s i s p o ly m e ri z a t io n ) ; ( 2 ) 闭环复分解反应( R C M : ri n g c l o s in g m e t a t h e s i s ) ; ( 3 ) 易位复分解反应 ( C M : c r o s s m e t a t h e s i

14、 s ) . 2 . 1 R O O M和 R O MP反应 2 0 世纪5 0 年代中 期， 人们发现了开环易位复分解反应 ( R O C M ) 和开环复分解聚合反应( R O M P ) 2 1 . 目 前这类反应已 经成为合成一些功能高分子的有效方法1 9 1 . 通常的R O C M及 R O M E 反应属热力学控制， 因而具有较大环张力的三、 四、 八 等多元环较易开环. 在金属卡宾络合物的催化下， 开环后的 中间体有较好的聚合活性， 因此可以通过连续加人单体的方 法合成高聚物【 “ ， ” . 另一方面， 如果使用低浓度的环烯烃， 则得到烯烃复分解的产物. 钉盐作为R O C

15、M和 R O M E 反应的催化剂已有相当长的 历 史 12 1 , 2 0 世纪8 0 年代后期， G m b b 。 等发现钉类催化剂在 催 化R O C M及R O M P 反应时能够忍耐痕量的水 13 1 . 后来 晰 八 呀 ” Me 3 S i C ( E / Z=5 1 1 ) ( E o n l y ) 4 ( X= C l ) ( 2 m o l %) C H 2 C I2 , 2 5 0 C 2 h , 9 8 % ( E ,E / E ,Z = 3 . 5 / 1 ) R= C H 2 C H 3 脚 h e mr 3 2 . 1 . 2 对称结构的 R O M P 降冰

16、片烯( N o r b o m e n e ) 的聚合是该类反应中的一个典 万方数据 1 0 0 6 有 机 化 学V o l .2 4. 2 0 0 4 型， 曾 有 过一系列的研究报道 17 , 18 1 . 通过新型催化剂的 使 用， 目 前该反应的产率已达到较高水平. 利用I R , 1 H N M R 及 C N M R测得聚降冰片烯中含9 0 %一 9 5 %的反式 C =C 双 键. 因 此， 这 类 反 应 有 着 优良 的 立 体 选 择 性 19 1 ( E q . 1 ) . 上叹 一 一n c i s - c i s o i d * 十 n 入刀 一一认力月， * 岌一

17、 / V- / /，十 1 一 ，目 碑 一-. 勺卜 t r a n s - c i s o i d I h , D C E , 8 0 0 C 一 产率: c i s - t r a n s o i d 1 0 0 %,催化剂与单体比为 1 :7 9 5 * 犷诀夕万澳2 / 族分* 有时上述的聚合反应需要添加单体作辅助催化剂. 各种 催化剂的 实验结果表明 2 0 1 ， 聚合产率最高可达6 3 %. 实验还 发现三甲 基硅偶氮甲 烷( T r im e t h y l s i ly l d ia z o m e th a n e ) 比 偶氮醋 的 辅 助 催 化 效 果 好 2 1

18、1 ( E q . 2 ) . t r a n s - t r a n s o i d S c h e mes N 2 C H S iMe 3 / R u B e n z y l c h l o r id e , 6 0 0 C C H S i Me 3 的是， 有时当反应物的结构发生一些微小的变化时( 如由反 式变为顺式) ， 则不能发生 R O M P 反应. 此外， 但凡选择性好 的反应， 产物中较大的烯烃基团均位于离五元环取代基较近 的位置上， 即空间 位阻较大的 位置上2 9 1 相比于钥和钨， 钉催化剂对官能团有着更好的稳定性. 然而钉催化剂对缺电子的烯烃， 如丙烯酸及其衍生物，

19、却有 较低活性. 尽管如此， 有一类离子型的钉催化剂可以有效地 催 化环 烯烃与不 饱和醋的R O M P 反 应 22 1 ( S c h e m e 4 ) . R H 岁 夕 R R u 8 4 % O 入月/ 一 C a t . 、 、M 。 十 尸 OM e 尹R R u 7 2 % C 卜 ， . Ca t . : C I A P C y 3 = C =C H 2 H A, L L - / P C yI . I 刁 Ku二 二 二 C二 二 二 P C y 31P C y 3 C H , 护R 不 不 广 N R 毗! A L B F , B F 4 B ( C 6 F 5 ) 4

20、 B ( C 6 H 3 ( C F 3 ) 2 ) 4 O E t 2 O H 2 N Me 2 P h O E t 2 S c h e me 6 S c h e me 4 以 上的 结果与7 - o x a n o m e n e 体系中的情况正好相反【 2 9 1 对于7 - o x a n o m e n e 体系， 较大的烯烃主要取位于空间位阻较 小 的 位 置 上 3 0 1 ( E q . 3 ) . 2 . 1 . 3 R O M P 反应的异构化 人们对1 , 3 , 5 , 7 一 环辛四烯的聚合反应的研究已有多年 历史. 曾 用过钨催化剂， 但未得到理想的产率 2 3 1

21、 . 近来使用 钉体系催化， 得到较好的结果. 不过产物依然存在着明显的 同分异构现象， 顺反之比接近6 0 : 4 0 ( S c h e m e 5 ) . 有趣的是， 在固态产物中再加入少量催化剂， 在室温下放置一周， 通过 3 C N M R 发现聚合物全部呈反式( S c h e m e 5 ) 2 4 1 . 2 . 1 . 4 R O C M的区域及立体选择 使用末端烯烃作为底物时， 容易出现区域及立体选择的 现 象. S n a p p e r 等 2 5 .2 6 1 对 此 有 过 深 入的 研 究. 不同 的 非 对 称取 代烯烃在区域及立体选择性上有着很大差别. 例如，

22、 S c h e m e 6 2 6 - 2 8 1 中反应a 的区域选择性不是很明显， 但当反应物之一 的吠喃环上带有取代基后， 则表现出极明显的区域选择性. 而对于反应b ， 两种产物的比例达到8 : 1 ， 以反式为主. 有趣 x 八,%Y _，R -气_ 产 -/ /+ V m in or 介一 X 0众、 ma y o r 2 . 2 R C M 反应 对于R C M 反应的 研究 始于2 0 世纪8 0 年代 3 1 - 3 4 1 . 然而 直到最近几年， 作为一种有效途径， R C M反应才在有机合成 反应中大量出现. 很多研究表明， R C M反应不仅具有较高的 效 率， 而

23、 且对 很多官能团 有着很好的 稳定性 3 5 1 . 因 此， 目 前 万方数据 No . 9李蕊琼等: 钉催化烯烃复分解反应的研究进展 1 0 0 7 R C M反应常常被用来合成中环或大环化合物， 其中五、 六、 七元环的合成因其较低的环张力而较易实现 通常情况下， R C M反应的成败很大程度上取决于对催化剂的选择， 而且 在反应中 存在着双烯环合以 及双 烯聚 合的竞争反应川. 取代 基对 R C M反应有着很大的影响. 经验表明， 取代基空间位阻 越大， 吸电子能力越强， 越不利于 R C M反应. 当然， 有时可以 引人适当的制约构象的基团， 从而提高大环形成的可能性. 值得一提

24、的是， 由于在 R C M反应中通常使用末端双烯烃作 为反应物， 理论副产物仅为乙烯， 因此 R C M反应是一种” 原 子经济” 的反应3 0 1 . 2 . 2 . 1 一般关环反应 有 关R C M 反 应 的 报 道 很 多， 其 产 率 通 常 较 高 3 6 一 39 ( E q . 4 ) . 仁 R u ( 3 m o l/ % ) 二 二二二一一一， ， - - 门 卜 Ac OOAc C H 2 C I2 , r . t 4 5 h Ac OOAc 大环的合成由于底物有很好的约束性， 通过改变反应条 件( 通常是缓慢滴加) 能够表现出极高的效率. 底物本身的结 构至关重要，

25、 因为存在一个相对于终端烯烃的远端取代基， 立体 选择性会表现出 极大 差异 X ( S c h e m e 8 ) . 4 ( 4 m o l %) C H 2 C I 2 , r .t . 缓慢滴加 7 9 % ( Z / E“5 4 / 4 6 ) 气 X f M = CHR 一-一，闷卜 / X 、 岁 ，(4 ) P S - D E S ( 丁基二乙基硅烷聚苯乙烯) 负载的钉卡宾催化 剂被认为是一种极具活性且易回收的催化剂， 特别适用于含 取代基的R C M反应中 3 9 1 . 最新的一个例子产率高达9 5 % ( E q . 5 ) . 4 ( 4 m o l%) C H 2 C

26、 I 2 , r .t . 一-一，闷卜 缓慢滴加 7 2 % ( Z / E=5 4 / 4 6 ) S c h e me S 7 ( 5 m o l%) 气 必T s(， 带有取代基及取代烯烃的毗喃环， 在第二代钉卡宾络合 体系的催化下易发生 C M反应， 此时不存在选择性 通过追 加连有 M c S i 取代基的末端烯烃， 保护了原烯烃， 使反应向 R C M 方向 进行 4 0 1 ( S c h e m e 7 ) . 2 . 2 . 2 立体选择 R C M 使用非手性的催化剂和手性的双烯烃底物进行 R C M反 应， 产物往往有着一定的立体选择性【 4 5 . 有趣的是， 这种立

27、 体选择 性常常受催化剂的 影响很大4 6 ， 其具体的规律尚 值 得进一步研究( S c h e m e 9 ) 尸N ( R u ( 1 0 m o l%) C 6 H 6 / 8 0 0 C / 4 d 一一，-一，目 OT BS 9 8 %/ 6 2 % 、 尸 N 为 ，产 B S Tf 沂、 彝 H O Bn O O尹林.O S iM e 2 C l I mi d a z o l e s y n / a n t i =8 : 9 2 Bn O 、 、 二 币 X B O Bn O O C H ,O C H , MO ( 1 0 m 0 1 % ) C 6 H 夕8 0 0 C /

28、3 d 9 7 % 6 ( 1 0 一 1 5 m o l% ) X C H , C I2 , 2 3 0 C Bn O O C H , 二、导一 ，/ O T B S Tf s y n / a n t i =8 6 : 1 4 角出e me 7 S c h e me， 炔烃与烯烃间也可以发生R C M反应 4 l . 但在有些情况 下得不到 较高的产 率， 选择性也比 较 差4 2 当 末端炔烃带有取代基时， 产率有明显的提高( E q . 6 ) 4 3 1 . 若改 变反 应条件， 例如 使反应在乙 烯气氛下进行， 产 率 更 令 人 满 意 4 4 . 然而若使用手性的催化剂， 则可以

29、控制 R C M反应的立 体化学性质. 目前， 人们已经合成了一些手性的钥催化 剂4 7 ， 并发现它们对大量的R C M反应有着很高的对映体选 择性 4 8 - 5 1 . 尽管如此， 由 于铝催化的R C M 反应缺乏对官能 万方数据 1 0 0 8有 机 化 学V o l . 2 4 , 2 0 0 4 1了州 团的稳定性， 而且通常需要较为苛刻的反应条件( 温度、 湿度 等) ， 人们也积极发展手性的钉催化剂. 给出的例子最近由 G w b b s 等 5 2 给出 ( E q . 7 ) . _ i s x S 0 2 P h O - - - - R u + N a l R 2 1

30、R R R 2 R 3 R 3 O 尸 R1 (7)R2气 + CO+ R u S 0 2 P h R I 一 H , R 2 一 H , 3 9 % e e R I = M e , R 2 = H , 3 5 % e e R i = H , R 2 一 M e , 9 0 % e e N I S 0 2 P h 当 _必为 币 S丫时 ， 产 率 最 “ ， 达 9194% X S c h e me 1 1 R, = A r - N 丫 望 A r R 3 = P h , Ai = o - i s o p r o p y lp h e n y l 口一 尸侧户 P C y 3 P h 2 .

31、 2 . 3 联串反应 在一步中完成几个前后关联的反应称为联串反应 ( T a n d e m r e a c t i o n ) . 这样的反应有着简洁高效的优点. 对于含 多个烯烃的底物， R C M反应往往会两两发生于几个双键之 间， 形成联串反应. 具体的例子如下图所示 5 3 ,5 6 1 ( S c h e m e 1 0 ) . 3 ( 3 0 %) C H 2 C 12 , 4 5 0 C 1 2h 低聚物0 犷 、勺丫 O ft, 臼i 0 O 百O 扮 5 mo l % 3 0 . 1 m o V L ( C 6 H 6 ) 3 ( 1 0 %) 6 0 0 C , 2 h

32、 ( 9 0 %) T F A c le a v a g e C H 2 C I2 , 4 5 0 C 2h 3 mo l % 3 0 .0 7 m o l/ L ( C 6 H 6 ) /- O 1 %的交联聚乙烯树脂 6 0 0 C , 6 h OM e ( 7 0 %) R 0 套 5 m o l % R u 0 . 1 m o l/ L ( C H 2 C l2 ) 2 2 0 C , 1 0 一1 4 h 1 0 1 k P a C A R Q / 一 低聚物 O1 S s h e me 1 2 S c h e me 1 0 钉催化的R C M反应有时还能够与其它过渡金属催化的 反应

33、进行联串一 个较为有趣的例子是钉、 把复合催化的联 串反应( S c h e m e 1 1 ) . 反应的第一步是把催化的H e c k 反应， 其 生成的双烯烃由钉催化关环. 2 . 2 . 4 固态底物支持的 R C M反应 将树脂引人具有双末端双键的大分子体系， 可有效抑制 R C M 反 应， 以 达 到预 期所 要的 二聚 体( 5 5 1 . 目 前主 要研究的 是 同 种分子的反应( S c h e m e 1 2 ) . 继续研究发现， 在树脂负载下某些化合物已不再生成环 合物， 而反 应条件并无 很大改变 5 5 1 . 催化剂量3 0 m o l %， 温 度 为4 5，

34、 在二氯甲 烷中反应 1 6 h ， 树脂填料极其微量( 0 . 5 5 m m o l/ g ) ， 产率分别是8 4 %和7 0 % ( S c h e m e 1 3 ) . 2 . 2 . 5 R C M在全合成中的一些应用 R C M反应有着条件温和、 高效的优点. 它将在绝大多数 反应中呈惰性的双键变成有用的宫能团， 并极大方便了中环 及大环化合物的 合成. 因此， R C M反应最近在天然化合物的 全合成中被广泛应用. 这里介绍几个较为重要的例子. 万方数据 No . 9 李蕊琼等: 钉催化烯烃复分解反应的研究进展1 0 0 9 MIO Me O OMe 夕欲 决万 NH O O

35、 OMe C I OH 2 1丫O 州尹|0 H N卜1.we， /资才 夕认 O / 、 、 夕呱 O HN 产C I OH 2 OMe 5出e me 1 3 2 . 2 . 5 . 1 N o n e n o l i d e s h e r b a m m i n 1 5 1 7 该化合物并不复杂， 但在 R C M为核心步骤的全合成中 具有代表性. 对它的研究所提供的重要信息为， 催化剂的不 同能够导致产物的顺反几何构型不同( S c h e m e 1 4 ) . 由催化 剂 R u l 5 8 - 6 4 1 得到的主 要是 热力学上不 稳定的 反 式产物， 产 率为6 9 %; 而

36、使用催化剂 R u 2 6 5 - 7 1 7 则得到热力学上的 稳 定 顺式 产物， 产率为8 6 % n - 7 6 1 . 由 此可见， 在合成中 多试用 几种不同的催化剂是值得的. 限 制 8 1 - 8 4 1 . 最近， D a n is h e fs k y 等 研 究出 一种新的 合成方法 ( S c h e m e 1 5 ) ， 用以合成E p o th i l o n e 4 9 0 . 合成的最后一步是 R C M反应， 立体专一性很好， 因而精彩地解决了多年的难 题 8 5 1 . OT ES R u I r R u h X O舜 O 2 绍 火- 0, -0 /(O

37、 0 J r O 0 OP -一 -闷卜 -. 一 一j卜 5出e me 1 4 H O 了 帐 / 为 H O - 丫一 丫 r 0 E p o t h i l o n e 4 9 0 5出e me 1 5 No n e n o l i d e s h e r b a r u mi n I 2. 2. 5. 2 在该类化合物的合成中， 立体控制一直是难以解决的问 题77 - 80 1 . 由 于这个原因， 该类化合物在制药方面的 应用受到 2 . 2 . 5 . 3 C o l e o p h o m o n e s 该类化合物有三种异构体: A , B , C 86 1 . 其结构的 独特

38、 之处在于: 三个很具活性的拨基片断最终构成张力较大而且 结构僵硬的十一元环体系. 利用烯烃复分解反应来合成这类 结构特殊的大环化合物， 不失为一种巧妙的方法8 7 1 . 反应中 万方数据 1 0 1 0有 机 化 学V o l . 2 4 , 2 0 0 4 用到 最新型的G ru b b s 型钉卡宾催化剂 8 8 1 ， 而早期的G r u b b s 型钉卡宾催化剂 8 9 ,9 0 1 却不能催化该闭环反应( S c h e m e 1 6 ) . M N!sE S E M 0 TI P S OM e e n t - ( 一 ) - r o s e o p h i li n S c

39、 h e me 1 8 C o l e o p h o m o n e B C o le o p h o m o n e C S c h e me 1 6 2. 2. 5. 4 T u b e r o s t e mo n i n e 这是一种多 环化合物9 1 其全合成中 关键的一步就是 最后的R C M反 应( S c h e m e 1 7 ) 92 1 . 肤化合物、 内酞胺、 环状磺酞胺、 以及含磷杂环化合物等一系 列 具 有 生 理 活 性 的 重 要 化 合 物 9 5 ,9 6 1 . 2 . 3 C M 反应 C M反应是两种烯烃分子之间的复分解反应， 它为烯烃 的合成开辟了

40、新路. 这类反应同样存在区域选择性及立体选 择性问题( E q . 8 ) . R 1 , + R 2 M= C H 2 . -. -口卜 c a t . R l/ , 好 目的产物 R U COOM e RCM R 1, - R l R 2 、 粉 R 2 非目的产物 H汀/Ph ，三了日 一-心卜 ， 一一，.卜 ( 一 ) - T u b e r o s t e m o n in e 2 . 3 . 1 区域选择与立体选择 在C M反应中， 人们并不期望” 自 复分解” 反应发生. 因 此， 如何避免“ 自 复分解” 反应是区域选择与立体选择必须考 虑的重要方面. 最近有很多关于丙烯酸衍

41、生物的立体选择性 烯 烃复 分解反应的报道 9 7 - 10 2 1 . 不过也有例外: 烯醇与氮异 丁 基丙烯酸则 发生 非选择性复分解反应 10 3 1 ， 复分解产物与 二聚体之比为5 2 : 4 8 ( 玩. 9 ) . 5出e me 1 7 2 . 2 . 5 . 5 R o s e o p h i l i n 这 是一种防 癌的 抗生素类物质9 3 1 . 它有一种独特的双 五元环并大环骨架， 是杂环、 毗咯环和吠喃环共存的共扼体 系. 在最近的一次不对称全合成中， 得到该类天然产物 e n t - ( 一 ) - r o s e o p h ili。 的 绝 对 构 型 f9 4

42、 ( S c h e m e 1 8 ) . 通过以上的几个例子可以看出， R C M反应由于其较好 的官能团稳定性， 在复杂的具有生物活性分子的合成中正发 挥着越来越大的作用. 可喜的是， 最近R C M反应在药物设计 和合成领域中也受到了广泛的重视. 利用 R C M反应人们开 发出一些新颖的方法用以合成苯并毗喃类衍生物、 氨基酸和 H C H 20 H 十 日厂 丫“ 丫 5 ( 5 m o l%) Mc O H ( 0 .2 m o V L ) 4 5 0 C1 2 h O H H C H 20 HH I 尹 、丫 N 丫 + 、 今 OC H 2 0 H 新的一些高活性的钉催化剂的出

43、现， 使烯烃复分解反应 又发展了一大步一 类曾经对复分解反应表现惰性的化合 物， 如非饱和拨基化合物， 也可以进行烯烃复分解反 万方数据 N o . 9李蕊琼等: 钉催化烯烃复分解反应的研究进展1 01 1 应 10 4 - 10 6 1 ， 并且反应的选择性很好， 甚至可以 达到仅生成单 一 产 物 的 水 平 10 ( E q . 1 0 ) OTBS 子 夕 E ( 1 3 ) T B S O ,t-Y4 币 S O ZP h 6 一TBS O C H , C l2 r e fl u x S 0 2 P h ( 1 0 ) X - - , 夕 E = C 0 2 Me 利用该反应的立体化

44、学特性， 还可以对一些天然产物的 降 解 产 物 的 结 构 进 行 分 析( E q . 1 1 ) 10 ， 由 于 该反 应 最 后 得 到内消旋产物， 人们认定反应物为( 3 R , 8 S ) 构W E二com e E 二CHO E = CN X二0 X=C H , X =O X=C H 2 X =O X= C H 2 X = O 6 7 % 8 8 % 6 8 % 7 3 % 6 5 % 6 1 % 0 % HO_ 8 HO 8 HO- 8 IIorlIl C 7 H 1 5 6 飞今-O H ( 3 R , 8 S ) 1 ( 3 S ,8 习 、弓 .O H 、 令。 me s

45、 o c h i r a l 性 12 4 1 . 若加人H C 1 ， 可 使立体专一 性进一步提高 1 2 5 1 . 但很多 烯烃对酸不稳定， 使反应不能正常进行. 实验发现， 改变催化 ( I 1) PI j I 则 问 题 得 到 解 决 126 1 催 化 剂 5 在 催 化C M 反 应 中 ， 使 对 酸、 碱敏感的缺电子且结构不对称烯烃顺利进行反应， 立体 选择性很好， 对含杂原子的 烯烃也可顺利反应( E q . 1 4 ) . P MP O 2 . 3 . 2 炔烃的 C M反应 炔烃也可以 参与C M反应 10 9 - 川 ， 主要应用在官能化炔 烃的 复 分解反应及高

46、聚物的合成中 1 12 1 . 这类反应可以 用 G r u b b s 型催化剂催化， 在室温下即可进行( E q . 1 2 ) . 如果使 用S c h r o c k 型钥催化剂， 则会发生炔烃的聚合 ” ， ， 这时的反 应属 R O M P反应. S iM e 3一 互 i P M P O I I - -I 人 - 1诀/ S iM e 3( 1 4 ) 三+ 岁 夕 /S i M e 3 6 ( 5 m o l %) 一-，刁卜 C H I C 1 2 , 1 8 一 2 4 h i S i Me 3 ( 1 2 ) 炔烃C M反应的立体选择问题自1 9 8 5 年以来 1 14

47、 一直 受到 关注. 近 来研究发现， 利用催化剂6 1 15 1 ， 可以达到很好 的立体专一性， 产物以反式为主， 甚至在很多情况下没有顺 式产物 “ . 反应可能分成两步( S c h e m e 1 9 ) ， 而第二步反应 已 被 广 泛 应用 于 有 机 合 成中 1 17 一 12 1 1 . 2 . 3 . 4 质子溶剂中的反应 大多数的烯烃复分解反应在干燥的非质子溶剂中进 行 12 7 1 . 自 从G r u b b s 等发现水溶性的催化剂9 b 可在醇水混 合溶液中催化 R O M P 和R C M反应， 质子溶剂中的烯烃复分 解反应开始受到关注. 尽管如此， 9 b

48、对 C M反应几乎表现惰 性 128 一 132 1 最近， 人们开发出催化剂5 a 和5 b . 它们较催化剂6 有着 较慢的引发速度， 但它们稳定性很好， 催化活性高， 特别是在 醇、 水这一类质子溶剂中 1 3 3 它们是一类甲醇可溶性催化 剂， 可有效催化质子性溶剂( 甲醇一 水溶液， D M F 一 水溶液) 中 的C M反应. 这类催化剂的应用为混合水溶液中生物质的合 成开辟了 广阔的空间， 进一步的研究还在进行中 13 4 1 岁 R - C l * - , C h l R 象PCy2 P h M e sN 丫 N M e s C 匕 R u m C! 尸I xa PCY2J X

49、丫 1 1 一一 卡 ma j o r : E 5出e r as e 1 9 9 a X= C H 2 9 b X 一 N M e 2 + C l- X H C HP r - i 在温和条件下合成共扼( E ) - 1 , 3 一 二烯， R C M - C M联串反 应提供了高效的合成法 1 2 2 1 ( 催化剂为5 或6 ) . 反应须在不 饱和 炔烃与共扼烯烃间进行 123 1 ， 但当 烯烃为乙烯时， 得不 到目 的产物( E q . 1 3 ) . 2 . 3 . 3 催化剂的选取 催化剂6 可催化很多C M反应， 也具有很好的立体选择 2 . 3 . 5 应用 由于产率及立体选择

50、的问题， C M反应目 前仍然处于探 索阶段， 而尚 未被广泛应用. 迄今， C M反应的应用较为成功 的只 有 碳水化 合物单体的 合成 13 5 1 . 例如， G n i b b ， 等曾 进 行了 C -e ll y l - a - D - g lu c o p y r a n o s i d e与二取代烯烃之间的 c m反 万方数据 1 01 2有 机 化 学 V o l .2 4 , 2 0 0 4 应 13 6 1 ， 产率较好( S c h e m e 2 0 ) OBn Ac O B n O 、 仆 / 冷林,O A c o r A c O OBn Bn O S c h e

51、me 2 0 3 钉催化烯烃复分解反应的理论研究 3 . 1 概论 鉴于烯烃复分解反应的重要性， 人们对其反应机理进行 了 大量研究 13 7 - 14 6 1 ， 目 前被广泛 接受的是所谓的C h a u v i n 机 理 州， 根据这一理论， 烯烃与金属卡宾络合物反应首先生 成 一个R 络合物 14 8 1 . 然后发生插人迁移， 使烯烃配体进攻 金属卡宾键， 生成四元环. 接着旧键断裂， 进而生成新的烯烃 7r 络合物. 最后7C 络合物分解生成新的烯烃( S c h e m e 2 1 ) . 有 趣的是， 热力学不稳定、 且对称禁阻的四元环过渡态的形成 是整个催化过程的关键. 这

52、种四元环过渡态也存在于齐格勒 一 纳 塔( Z ie g le r - N a tt a ) 聚 合 反 应 中 14 9 1 . 然 而， 与 齐 格 勒一 纳 塔 聚合反应不同， 钉催化的烯烃复分解反应无需质子作助催化 剂. 需要指出的是， 上述C h a u v i n 机理到目 前还仍然是一个假 设. 尽管尚没有实验事实与这一机理相违背， 我们仍然缺乏 许多实验证据来确定反应机理中各步骤的具体细节. 为了更 好的理解钉催化烯烃交换反应的机理， 人们最近使用了量子 化学计算方法较为细致地研究了机理 中的一些基本问 题 15 0 一 5 3 1 . R L M = + 厂 一 R， R 气

53、 。r R / 找 ，、 ， 一 二_ R ， 一厂 笋 一 R R L 叹 R 及上e m e 2 1 3 . 2 基本研究方法 几何结构的优化通常采用密度泛函方法D F T ( 如B 3 L Y P 和B P 8 6 ) 并配以L A N 1 2 D Z 基组. 优化后的结果使用 B 3 L Y P 与C C S D ( T ) 等方法配以更高的基组计算单点能量. 经过零点 能校正以及简谐振动和刚性转子近似， 最后我们可以得到体 系的各种热力学参数. 必要时还可以使用适当的溶剂模型对 各体系的溶解能进行估算. 使用以上的方法至少在定性上能 够描述反应机理. 3 . 3 决速步和四元环过渡态

54、 侧 C h a u v i n 机理描述了一个多步反应. 究竟哪一步是整个 反应的决速步骤呢?最近， C h e n 等仔细地研究了 1 一 丁烯与 P R 3 C 12 R u =C H A T 之间的C M反应. 他们发现该反应的 速度有 着较大而且为正的H a m m e tt 反应常数. 鉴于反应物中钉中心 是缺电子体系， 因此 A r 上的吸电子基团使得反应物变得不 够稳定. 这样一来， 正的H a m m e t t 反应常数意味着在反应的 过渡态中， 钉中心与A r 之间的共扼减弱. 这暗示了反应的决 速步为四元环的生成. 进一步的二级同位素效应研究 ( P R , C 12

55、R u =C D A r 比较P R , C 12 R u =C H A T , k H / k D = 0 . 8 0 ) 表 明， 反应的 决速步牵涉到s p 2 碳到S p a 碳的转化. 这也表明了 四 元环的生成是决速步. 那么四元环是反应的过渡态还是反应中间体?C h e n 等 的质谱研究没有给出任何金属四元环络合物的信息， 暗示四 元环不是反应中间体， 而是过渡态. 同时， C h e n 等发现 1 一 丁 烯与P R 3 C 12 R u =C H A T 之间的C M反应在正反两个方向有着 一样的二级同位素效应. 这暗示该反应是单步反应， 再一次 表明四元环是过渡态. 然

56、而， C h e n 等的理论计算却表明四元 环结构是势能面上的一个极小点， 也即四元环是反应中间 体， 而非过渡态. 值得一提的是， 在计算中由于资源的限制， C h e n 等采用了P H 3 而非实验中的PCY 3 . 由 于P H 3 与PCY 3 的 空间要求不同， 以上理论与实验之间的矛盾可能来自 于磷配 体的不同. 所以， 目 前我们对四元环属性的认识还不够完善， 继续研究显然还有必要. 3 . 4 缔合机理与解离机理 在钉催化的烯烃复分解反应中， 钉既可以采用六配位的 结构， 也可以采用五配位的结构. 关键是钉上的“ 辅助” 配体 ( 如P R 3 ) 是否在反应中离去. 这样

57、一来， 我们就得到两种可 能的机理， 即缔合机理( a s s o c ia ti v e m e c h a n i s m ) 与解离机理 ( d is s o c ia tiv e m e c h a n is m ) 150 ,15 3 1 . 通过量化计算， 人们得到了当L 二 P H 3 , R = R 二 H时， 反应中 每步的能量( 小括号内， 单位: 4 . 1 8 k J / m o l ) ， 这里， I II 为( P H 3 ) Z C 1 2 R u =C H 2 ， T S 为过渡态( S c h e m e 2 2 ) . 根据S c h e m e 2 2 我们可以看出， 在缔合机理中金属原子 与烯烃相互作用需要很大的能量， 反应能垒很大一部分来自 于金属卡宾络合物内部的扭转能. 若要形成四元环过渡态， 两个双键必须处在同一平面上， 即需要实现1 1 1 - 2 -11 1 - 2 的转 化. 由于共平面结构不太稳定， 大约需要2 5 k J / m o l 的能量， 而相应的前线轨道的形成对。 给体和二 给体无太大差别， 所 以其稳定性主要由空间效应决定. 由于在最初的烯烃与金属 卡宾发生作用中产生了很大的能垒， 这一步成为反应的决速 步. 对于解离机理， 虽然通过反