称催化的研究进展
摘要：随着烯烃复分解反应催化剂的不断进步，单纯为了提高催化活性的催化剂已经不再是关注的焦点。烯烃复分解的不对称催化因其更加实际的应用价值而被寄予厚望，研究的热情也与日俱增。本文对烯烃复分解反应进行了简要的概括，并将其不对称催化方面进行了综述性的总结。
关键字：烯烃复分解、氮杂环卡宾、不对称催化、Ru 金属催化
一、 从烯烃复分解反应到金属Ru 的氮杂环卡宾配体催化剂
最早记录烯烃复分解反应的文献可以追溯到20世纪50年代中期，Anderson 和Merckling 发表了第一篇有关金属催化下的碳－碳重键的切断并重新结合过程的文章[1]，如反应1。九年后，Banks 和Bailey 在实验中发现了一种奇特的反应过程，烯烃在这种反应后会转变为与反应物相似，但碳骨架长度却不同的物质[2]。直到1967年，Calderon 与其同事为这种反应进行了系统的命名，以希腊字母“μεταθεση”表示改变的位置[3]，从此开辟了一个崭新的领域，而这种反应也被证实是一种非常强大的有机合成手段。但是，由于这些催化体系通常需要苛刻的反应条件和很强的路易斯酸性条件，使得反应对底物容许的功能基团有很大的限制，而对于其过程机制也没有得到一个较权威的解释，使得这方面的研究进展缓慢，也未能得到很好的应用[4,5,6]。
反应1：烯烃复分解反
应
20世纪70年代初期，Chauvin 提出了烯烃与金属卡宾通过［2+2］
环加成形成金属杂环丁烷中间体的相互转化过程理论[7]，也导致了20
世纪70年代末、80年代初对于烯烃复分解反应的研究热潮。期间烯
烃复分解反应单组分均相催化剂的发现是较为突出的成果，通过这些
sdl催化剂，取得了比以往的催化体系更容易引发、更高的反应活性和更
温和的反应条件。尽管在催化剂的稳定性以及对于反应底物的适应性方面还有很大的欠缺，但其更重要的意义在于为之后研究出的新一代、高性能催化剂奠定了基础[8,9]。
地球物理学报图 1
1992年美国加州理工学院的Robert Grubbs合成了一种钌（Ru）卡宾配合物（如图1中，配合物1），并地成功应用于降冰片烯的开环聚台反应[10]。这种催化剂的特点是：使用了过渡金属钌；配体由两个上下对称的膦、两个前后对称的卤素以及一个链状烯烃的卡宾组成；该催化剂不但对空气稳定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性。在此基础上，于1996年Grubbs对原催化剂作了改进，该催化剂不但具有比原催化剂更高的活性和相似的稳定性，而且更容易合成，成为应用最为广泛的烯烃复分解催化剂[11-14]。并被称为第一代Grubbs催化剂（图2中，配合物2、3）。
图 2
之后通过更多的研究与实验，Grubbs在催化机理上获得了很大的进展，并发现催化剂的活性与其膦配体的解离有关，认为催化循环过程中经过一个高活性的单膦中间体。根据这样的想法提出了以比膦配体具有更强给电子能力和更高稳定性的Ｎ-杂环卡宾配体代替其中一个膦配体从而提高催化活性。而实验证明了这样的想法，新的催化剂较之前的在催化活性上得到了巨大的飞跃[15-22]。于是产生了第二代Grubbs 催化剂（图2中，配合物4、5）。
由于其在化学合成中的强大能力与广泛的应用前景（如图3为工业催化的烯烃复分解反应循环过程），这种催化剂被投入了大量的研究热情。化学家们在之前的基础上提出了大量设想来使其性能获得更大的提高，并付诸实践。烯烃复分解反应的研究因此而进入了一个黄金时代。
图 3
二、 不对称催化的意义
如图4中，当分子中存在不对称中心时，分子就存在对映异构体，这种现象称为“分子手性”。这些对映异构体可能在化学性质上有非常大的差别。而如今的制药产业中，占一半以上的药物是存在对映异构体的。因此在生产过程中如何将有用构型的产物留下，而将无用构型的产物除去将会影响到药物使用过程的安全与效用。不对称催化也是在这样的需求下被提出的，这是一种通过分子之间手性传递来达到使产物中某一对映体数量远大于其他对映体数量的方法[23]。
图 4
三、 手性氮杂环卡宾配体的Ru 不对称催化剂
在早期的烯烃复分解反应中，催化产物大多都为对映异构体混合物，无立体选择性。而如果要将烯烃复分解反应作为实际生产工具并引入化工领域，对于对映体的选择性是必须的。因此，在对催化原理有了一定了解并制得活性较高的催化剂后，研究者们把目光又放到了如何使产物为单一对映体的方式上。这也成为了在这种反应中对不对称催化的研究。
在被研发出来的手性催化剂中，
主要分为2类，单齿卡宾以及双齿
卡宾。单齿卡宾除了卡宾与金属本
身以共用4个电子配合，并无其它
键合部分；而双齿卡宾除了卡宾本
身与金属配合外，卡宾杂环取代基
上还有一个键与金属配合，就像一
个螯紧紧夹住了金属中心，这种方
式有助于催化剂的稳定性。无论哪
种手性配体都是通过空间位阻的方
式来产生手性中心（如图5）。其中
通过杂环4,5号位取代基与氮上取
代基之间的“齿轮”效应，可以得到非常好的手性配体。
图 5 典型手性催化反应，反应物因空间位阻而偏向于一种对映体的产生
铁道学报单齿手性氮杂环卡宾配体的Ru 催化剂
虽然第一个带手性单齿含氮杂环卡宾的Ru 催化剂[24]在1999年就已被报道[13]，但第一次由这种催化剂参与的不对称烯烃复分解反应在2年后才被报道[15]。除了6和7以外，8-11（如图6）也是被合成并研究过的含手性原子配合物。在这些不对称配合物中，手性中心将会从咪唑氮杂环上4,5号位转移至氮原子所连接的芳香族基团上，使得氮连接的芳基较大的邻位取代基团与4,5号位的取代基相对于氮杂环在相反的两个平面上（被称为“齿轮”
效应）。8，9a ，10a 和11a 是在空气中稳定的固体配
计算机工程与应用合物，并且可以在柱谱中被纯化，而9b-11b 可以
在过量的LiBr 或NaI 下通过加成反应直接获得。对
于这些手性氮杂环卡宾的晶体结构研究显示，它们
都是由9a 经过一种类似双吡啶的协同反应所得到的。
配合物19,20和8-11被认为可以用于非手性三
烯（3-烯丙氧基-2,4-二甲菲-1,4-双烯）的非对映体不
对称合成，以及不对称闭环烯烃复分解反应（ARCM ）
[15]。有实验显示在杂环4,5号位形成环己烷结构的
催化剂（19,8,10）与在杂环4,5号位为苯环取代给女儿的信 苏霍姆林斯基
杂志社（20,9,11）相比，立体选择性较弱。将与氮原子所
连接的2，4,6-三甲基苯基（19,20）替换为邻位甲基
苯基（8，9）或邻异丙基苯基（10,11）同样可以提
高对映选择性。最后，将卤素配体中的氯配体改为
碘配体也能体改对映选择性；然而，这样的改变同
时也会减少复分解的产量，这或许是因为有两个碘配体的Ru 金属中间体稳定性较低所造成的。以上这些催化剂的催化选择性方面都对温度以及溶剂非常不敏感。而11c 在所有一系列催化剂中ee 值最大。
在以上所描述的配合效果，以及反应研究中所得到的立体结果来看，一个底面（与氮杂环反式）为烯烃的反应中间体（中间体Ⅰ）是被排除的。而两种侧面（与氮杂环顺式）的可能中，虽然中间体Ⅱ未被排除[15]，中间体Ⅲ是更被接受的。相反，2004年被发表的理论的文献却认为是底面为烯烃的这种中间过程，因为另外两种中间态所计算出的能量要比前者高出很多[25]。
图
7 图 6
随后的研究中，目标放在了如何提高11的对映选择性方面，以及扩大此种催化剂在非对称闭环复分解
反应中的应用，这使得新的一些手性配合物被合成12-15[26,27]（如图8）。其中，12和13与11的对映选择性相似，而14则即使在卤素配体为氯时，ee 值以及转化率依然非常高[26]。这样，11c 与14a 都被使用于烯醚和硅醚前手性三烯的合成，来获得五元到七元环；并转化率达到98%以上而ee 值也提高到了92%（参照反应2）。而温度与溶剂对反应转化率和ee 值的影响也已有所研究。最后，根据烯烃结合路径提议，如果所生成烯烃的键与氮杂环卡宾顺式，则立体相互作用在钌正面与烯烃键之间。另一方面，如果所生成烯烃的键与氮杂环卡宾反式，则立体相互作用则在与氮相连芳环之下的亚烷基所在位置。无论是哪种，烯烃连接的位置都对环生成所需的过渡态有着非常大的影响。
图 8
反应2：在14a 的催化下产物的ee
值达到了92%
11-15在之后都被证实在手性开环交叉复分解（AROCM ）反应中有非常高的活性。13a 则是在11-15之间配位卤素是氯是最具选择性的催化剂，而使用了碘配体的催化剂13b 被证实在ee 值上有微小的增加（在降冰片苯乙烯衍生物的AROCM 反应中达到82%）[27]。尽管如此，由于碘配体催化剂的反应活性没有相同氯配体催化剂的高，因此需要将使用量提高至 3 mol %才能取得后者1 mol %所能达到的反应活性。比起亚甲基钌，亚苯基钌是一种更好的链增长物，其反式协同过程被认为是AROCM 反应的关键步骤。而且，就在这个研究中，第一例不对称交叉烯烃复分解（ACM ）反应被报道[27]
，这是一种非常具有挑战性的
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