阴离子N-杂环卡宾研究进展

孔 勇

(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

N-杂环卡宾及其金属化合物已广泛应用于烯烃复分解反应、Heck偶联反应、不对称催化、Suzuki偶联反应和Kumada偶联反应等多种有机反应[1-3]。但简单N-杂环卡宾高价金属配合物容易发生原位还原消除，导致催化反应终止或效率降低。针对这一难题，人们通过在N-杂环卡宾边臂引入多种官能团，以提高N-杂环卡宾金属配合物的稳定性[4-5]。其中，阴离子官能团不同于中性官能团，可以与金属直接成键，不仅可形成螯合骨架结构，增强金属配合物的结构刚性，阻止内部原子翻转造成构型变化，提高催化选择性，同时还能加强N-杂环卡宾对金属的亲和性，防止高价金属还原消除，使配合物具有很好的热稳定性，提高对各种基团的耐受性[6]。

近年来，已经有多种阴离子官能团被引入N-杂环卡宾配体的边臂[7]。根据引入阴离子官能团成键原子的不同，阴离子N-杂环卡宾主要分为C、N、O和S阴离子N-杂环卡宾[8-9]。结合相关研究成果，对C、N、O和S阴离子N-杂环卡宾的研究和应用情况进行评述。

1 C阴离子N-杂环卡宾

C阴离子N-杂环卡宾配体是将苯基、茚基和芴基等官能团引入N-杂环卡宾的侧臂，进一步通过环金属化或强碱负离子化与金属化合物反应，制得相应的N-杂环卡宾金属配合物。

Rubio等[10]利用1,5-间二溴苯与咪唑反应制得间二苯咪唑盐，与Zr(NMe2)4反应得到环金属化混合物，二者比例是91∶9，加入MeI则可制得Zr的碘化物。Cho等[11]将N-杂环卡宾Zr配合物与[Rh(COD)Cl]2反应，通过转移金属化得到环金属化Rh的配合物和I桥联配合物。将上述Rh配合物应用于氢胺化反应，发现2.5%的Rh配合物催化反应2 h，转化率达到98%以上(图1)。

n为正丁基图1 苯基阴离子N-杂环卡宾金属配合物合成Fig.1 Synthesis of phenyl anionicN-heterocyclic carbene metal complexes

环戊二烯基是金属有机化学非常重要的一种基团，环戊二烯基引入N-杂环卡宾，可改善N-杂环卡宾对前过渡金属配位能力，提高N-杂环卡宾配合物的催化活性[12]。环戊二烯基N-杂环卡宾主要通过单取代咪唑与氯代环戊二烯基烷烃反应制得。Downing等[13]利用这种方法分别合成了茚基和芴基N-杂环卡宾前体(图 2)。

图2 环戊二烯基阴离子N-杂环卡宾合成Fig.2 Synthesis ofcyclopentadienyl anionic N-heterocyclic carbene

Wang等[12]利用环戊二烯基N-杂环卡宾配体合成了一系列稀土金属配合物(图3)，并研究了其催化异戊二烯、降冰片烯和乙烯等烯烃的聚合活性。含有茚基的稀土配合物，催化异戊二烯配位聚合，12 h转化率达到80%，所制得的聚合物分子量为37 000，分子量分布为1.44，3、4区域选择性达到91%[14]。将茚基替换为芴基，则聚合物的3、4区域选择性达到99%，玻璃化转变温度为40～49 ℃。催化降冰片烯和乙烯共聚反应，聚合物中降冰片烯单元含量最高为46%[15]。

图3 茚基阴离子N-杂环卡宾稀土金属配合物和芴基阴离子N-杂环卡宾稀土金属配合物Fig.3 Rare earth complexes of indenyl functionalized N-heterocyclic carbene and fluorenyl-functionalized N-heterocyclic carbene

2 N阴离子N-杂环卡宾

N阴离子N-杂环卡宾根据官能团不同，可分为胺基N阴离子N-杂环卡宾、酰胺基N阴离子N-杂环卡宾和磺胺基N阴离子N-杂环卡宾[16-17]。目前研究最多的是胺基N阴离子N-杂环卡宾。

tBu为叔丁基图4 胺基阴离子N-杂环卡宾稀土金属配合物合成Fig.4 Synthesis ofamido anionic N-heterocyclic carbene rare earth metal complexes

Arnorld等[17]首先报道了利用单取代咪唑与铵盐反应制得胺基N阴离子N-杂环卡宾前体，前体与2当量nBuLi反应，得到普通N-杂环卡宾Li配合物。Mungur等[18]继续加入nBuLi得到N阴离子N-杂环卡宾Li配合物。N-杂环卡宾Li配合物与Ln(NSiMe3)3反应得到N阴离子N-杂环卡宾稀土配合物(图4)[19]。其中，N阴离子N-杂环卡宾Y配合物对内酯开环聚合具有很好的催化活性，得到内酯开环聚合物为有规立构结构，分子量分布为1.5以下[20]。

N阴离子N-杂环卡宾Nd配合物与Me3SiI反应，可得到4位为三甲基硅基的碘代二聚物，其具有良好的反应活性[21]。在KC8作用下，脱去卤素，与Ga卡宾反应得到第一例Ga卡宾配位的Nd化合物，与NaN3反应得到重氮配位二聚物，与K[FeCp(CO)2]反应则制得Fe-Nd键化合物，与ArNHK反应得到芳胺基Nd化合物(图 5)[22]。

酰胺基阴离子N-杂环卡宾和磺胺N阴离子N-杂环卡宾研究较少。文献[23-24]报道了酰胺基N阴离子N-杂环卡宾前体在K2CO3存在下，与PdCl2和NiCl2反应，生成双N阴离子N-杂环卡宾Pd、Ni配合物(图 6)。文献[25-26]利用酰胺基N阴离子N-杂环卡宾前体与Ag2O反应，首先制得N阴离子N-杂环卡宾Ag配合物，进一步通过转移金属化得到N阴离子N-杂环卡宾Au配合物。

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

图6 酰胺基阴离子N-杂环卡宾金属配合物合成Fig.6 Synthesis of amide anionicN-heterocyclic carbene metal complexes

图7 磺胺N阴离子N-杂环卡宾 Pd 配合物合成Fig.7 Synthesis of sulfonamide anionicN-heterocyclic carbene Pd complexes

Chen等[27]以1,1′-联-2-萘胺(BINAM)为原料通过逐步反应，合成了磺胺N阴离子N-杂环卡宾前体，进一步与Pd(OAc)2反应得到磺胺N阴离子N-杂环卡宾钯配合物，该钯配合物对Suzuki反应和Heck反应都具有很好的催化活性(图 7)。

3 O阴离子N-杂环卡宾

O阴离子N-杂环卡宾是目前研究最多、应用最广的阴离子N-杂环卡宾[28]。由于O阴离子N-杂环卡宾具有良好的配位能力，O阴离子卡宾金属配合物几乎涵盖了所有金属[29]。根据O所在官能团的不同，O阴离子N-杂环卡宾主要分为烷氧阴离子N-杂环卡宾、芳氧阴离子N-杂环卡宾、烯醇式阴离子N-杂环卡宾和磺酸根阴离子N-杂环卡宾[30]。

3.1 烷氧阴离子N-杂环卡宾

Arnold等[31]以烷基取代环氧丙烷与单取代咪唑反应得到内盐形式前体，加入2 当量KH 和LiN(SiMe3)2负离子化，得到烷氧阴离子N-杂环卡宾K/Li配合物，进一步与CuCl2反应，根据比例不同，分别得到两种铜配合物(图8)。单阴离子烷氧N-杂环卡宾内盐可有效催化ZnEt2对环己-2-烯酮的共轭加成反应，光学纯度(ee)为51%，转化率为100%[32]。

图8 烷氧阴离子N-杂环卡宾金属配合物合成Fig.8 Synthesis ofalkoxy anionic N-heterocyclic carbene metal complexes

Arnold等[33]还将此类配体与Y、Ti、Ce和U等金属盐反应得到相应的金属配合物(图9)。Ti配合物可有效催化D,L-内酯开环聚合，分子量分布为1.2左右，催化聚合机理为Lewis酸和Lewis碱双官能团催化，M-carbene断裂插入内酯为第一步反应[34]。

图9 烷氧阴离子N-杂环卡宾Ti配合物合成Fig.9 Synthesis ofalkoxy anionic N-heterocyclic carbene Ti complexes

文献[35]成功在苯并咪唑侧臂上引入手性官能团，合成了烷氧阴离子N-杂环卡宾前体，通过Ag2O转移金属化与[Pd(MeCN)2Cl2] 反应，制得单核钯配合物(图 10)，加入K2CO3则生成双核钯配合物，加入HCl和HBF4生成相应的解聚产物。双核钯配合物可有效催化Heck偶联反应和不对称氧化偶联反应，ee达到90%左右，产率达到60%[36]。

3.2 芳氧阴离子N-杂环卡宾

文献[37]首先合成了联萘酚羟基阴离子N-杂环卡宾前体，通过(±)-2,2-双-(二苯膦基)-1，1-联萘(BINAP)结构酚羟基胺与叔丁氧羰基(Boc)保护醛反应，再经HC(OEt)3关环反应得到N-杂环卡宾前体，前体与Ag2O/Ag2CO3反应得到二核Ag簇合物(图11)。由于配体位阻较大，可有效防止配合物分解，便于保存。基于这种特性，Ag卡宾配合物可用于合成其他金属配合物和有机催化研究[38]。Ag卡宾配合物CH2Cl2溶液中，加入CuCl2·2H2O生成二核铜配合物，而加入Grubbs-Hoveyda一代催化剂，则得到具有手性结构的新型复分解催化剂[39]。此外，文献[40-41]还合成了联苯酚羟基阴离子N-杂环卡宾前体，合成方法与联萘酚羟基阴离子N-杂环卡宾类似，并分别制得了Ag、Cu和Ru金属配合物。

Crabtree等[42]利用一锅法合成了联萘咪唑(产率为40%)，与溴代烷烃反应制得N-杂环卡宾前体，进一步加入[M(COD)Cl]2反应，得到此类配体Rh和Ir的配合物(图12)。Rh和Ir金属配合物可有效催化苯乙酮的不对称氢硅化反应，30 min转化率达到98%，催化选择比例为97∶3。

图10 阴离子N-杂环卡宾钯配合物合成Fig.10 Synthesis of anionicN-heterocyclic carbene Pd complexes

图11 手性联萘酚阴离子N-杂环卡宾金属催化剂合成Fig.11 Synthesis of chiralbinaphthol anionic N-heterocyclic carbene metal catalysts

图12 联萘酚阴离子N-杂环卡宾Rh和Ir配合物合成Fig.12 Synthesis ofbinaphthol anionic N-heterocyclic carbene Rh and Ir complexes

水杨醛席夫碱结构配体是一种通用配体，尤其在烯烃催化聚合领域，其良好配位能力和广泛适用性，几乎所有金属配合物都已经制备出来，金属配合物更是拥有着其他配体所不具备的超高活性[43-45]。螯合邻酚羟基N-杂环卡宾配体从结构上与水杨醛席夫碱相似，因此设计此类配体及其金属配合物非常有意义[46]。Waltman等[47-48]首先报道了具有水杨醛席夫碱骨架结构的阴离子N-杂环卡宾前体，经KN(SiMe3)2(KN″)负离子化后，加入PdClMe(PR3)2和NiBrMes(PPh3)2分别得到中性钯和中性镍产物，但并未研究其催化性能(图13)。

图13 邻酚羟基饱和N-杂环卡宾金属配合物合成Fig.13 Synthesis of o-Aryloxide saturated N-heterocyclic carbene metal complexes

Ledoux等[49]将此类配体应用于甲基异丙基苯(Ru-cymene)化合物合成(图14)。将邻酚羟基饱和N-杂环卡宾配体与2当量碱负离子化，加入[(p-cymene)RuCl2]2反应得到此类配体的Ru配合物，加入HCl得到Ru—O键断裂的产物，进一步与AgOTf反应得到阴离子被OTf取代的产物。[(p-cymene)RuCl2]2+PR3是一种原位烯烃复分解催化剂，加入三甲硅烷重氮甲烷(TMSD)等引发剂，催化效率明显提高。但是此类配体Ru配合物催化降冰片烯(NB)效果一般，不加TMSD引发剂产率只有20%，分子量为108 000，而分子量分布过高，为3.8，加入苯乙炔或TMSD，产率提高至30%左右，分子量分布为3.0，分子量为200 000～500 000[50]。

图14 邻酚羟基饱和N-杂环卡宾Ru配合物合成Fig.14 Synthesis of o-Aryloxide saturated N-heterocyclic carbene Ru complexes

相对于此类饱和N-杂环卡宾研究较多，不饱和N-杂环卡宾研究较少，主要原因是合成困难[51-52]。Kong等[53]通过单取代咪唑与2,4,6-三叔丁基-4-溴-苯醌反应，在乙二醇中、110 ℃下得到阴离子邻酚氧基N-杂环卡宾前体(图15)，经2当量的 BuLi负离子化，与[(allyl)PdCl]2反应得到烯丙基钯配合物，可有效催化Suzuki偶联反应(产率为99%)。将此配体与Pd(AcO)2和Ni(AcO)2等反应成功制得其钯和镍配合物[54-56]。双邻酚氧基N-杂环卡宾钯配合物以MAO为助催化剂，催化降冰片烯加成聚合，催化活性达到107g PNB/(mol Pd·h)[57]。双邻酚氧基N-杂环卡宾镍配合物催化降冰片烯加成聚合，催化活性达到106g PNB/(mol Ni·h)[58]。与双邻酚氧基N-杂环卡宾钯配合物相比，邻酚氧基N-杂环卡宾环钯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]进一步将邻酚氧基N-杂环卡宾配体引入Ru-Arene 催化体系，分别开发出新型Ru-cymene和Ru-benzene催化剂(图16)。不需加入引发剂或光照引发，Ru-Arene 催化体系可高效快速催化降冰片烯开环易位聚合，降冰片烯聚合物具有超高分子量(>106)，分子量分布较窄[61]。两种催化剂均可催化降冰片烯与环辛烯单体的共聚反应，交替共聚率达到53%[62]。

图15 邻酚羟基N-杂环卡宾Pd、Ni配合物Fig.15 Pd and Ni complexes of o-Aryloxide N-heterocyclic carbene

图16 Ru-Arene催化剂Fig.16 Ru-Arene catalysts

Boydston等[63]成功合成阴离子苯并咪唑卡宾金属配合物，首先通过邻硝基氟苯多步反应制得阴离子苯并咪唑卡宾前体，总产率达到80 %以上。在不加入碱的情况下，前体与M(OAc)2反应(M=Pd、Ni、Pt)，得到普通卡宾配位的产物，加入Na2CO3等碱得到阴离子苯并咪唑卡宾配位产物(图17)。

图17 苯并咪唑邻酚羟基N-杂环卡宾金属配合物合成Fig.17 Synthesis ofbenzimidazolylidene o-Aryloxide N-heterocyclic carbene metal complexes

Yagyu等[64]报道了邻芳氧双阴离子N-杂环卡宾配体与PdCl2反应得到钯化合物，可有效催化Heck反应，150 ℃下反应2 h，底物转化率达到99%，转化数为495。Bellemin-Laponnaz等[65]、Romain等[66]将双氧阴离子饱和N-杂环卡宾前体应用于Ti、Zr、V、Mn等前过渡金属化合物合成。Zhang等[67]利用双氧阴离子N-杂环卡宾前体经NaN(SiMe3)2负离子化与第四族金属氯化物MCl4(THF)2反应得到Ti和Zr的配合物(图18)。Al∶Ti=1 000∶1，催化乙烯聚合，活性为2.9×103g /(mol Ti·h·kPa)，分子量为3.98×104，分子量分布为4.65，聚合物熔点135 ℃[68]。

图18 Ti、Zr聚合催化剂合成Fig.18 Synthesis of Ti andZr polymerization catalysts

3.3 烯醇式氧阴离子N-杂环卡宾

烯醇式氧阴离子N-杂环卡宾主要通过酮羰基异构形成，但由于烯醇异构是一个可逆过程，因此这种结构难以进行调控，目前关于这一种阴离子的报道较少[69]。

Waymouth等[70]利用烯醇式氧阴离子N-杂环卡宾配体与烯丙基氯化钯反应制得烯醇式氧阴离子N-杂环卡宾配位的烯丙基钯配合物，加入过量MeI得到普通N-杂环卡宾配位产物，配体经2 NaN″负离子化，与Ni(COD)2反应，成功制得这种配体的中性镍化合物。该中性镍化合物不需加入助催化剂催化乙烯聚合，1 500 kPa、60 ℃，催化活性为560 g/(mol·h·kPa)，所得聚合物为高度无支化产物，分子量分布为2.1，分子量为4 000[71]。烯醇式氧阴离子N-杂环卡宾配体经NaHMDS负离子化与烯丙基氯化镍反应则得到相应的烯丙基镍配合物，以ZnEt2为助催化剂，催化乙烯聚合，1 500 kPa、60 ℃催化活性为175 g/(mol·h·kPa)，所得聚合物为高度无支化产物，分子量分布为10.8，分子量为1 600(图19)。

图19 烯醇式阴离子N-杂环卡宾金属配合物合成Fig.19 Synthesis ofenolate anionic N-heterocyclic carbene metal complexes

此外，Legault等[72]利用类似N-杂环卡宾配体通过AgOAc转移金属化，加入CuCl2·2H2O，经过双键重排反应，生成双烯醇式氧阴离子N-杂环卡宾配位的二价铜配合物。

3.4 磺酸根氧阴离子N-杂环卡宾

磺酸根氧阴离N-杂环卡宾是在N-杂环卡宾边臂引入磺酸基团，并利用磺酸基团与金属成键。文献[73-75]利用磺酸根阴离子N-杂环卡宾配体，与Ag2O反应得到双核银配合物，应用于Cu催化体系，发现双核银配合物可高效催化有机硼烷对端炔加成，转化率为98%，选择性为98∶2(图20)。

图20 磺酸根阴离子N-杂环卡宾Fig.20 Sulfonateanionic N-heterocyclic carbene

文献[76]以2,2′-双-(二苯膦基)-1,1′-联萘骨架原料，合成了含有磺酸基团的阴离子N-杂环卡宾。加入Pd(OAc)2和Cs2CO3得到磺酸根阴离子N-杂环卡宾钯配合物，加入AgOAc得到阴离子交换产物。磺酸根阴离子N-杂环卡宾钯配合物催化Suzuki-Miyaura反应，6 h转化率达到90%[77]。

4 S阴离子N-杂环卡宾

S阴离子N-杂环卡宾是目前研究最少的阴离子N-杂环卡宾。Sellmann等[78]成功设计合成了双硫阴离子N-杂环卡宾Ni化合物，首先利用Ni化合物与CH(OEt)3反应，得到双硫阴离子N-杂环卡宾Ni二聚产物，再利用金属试剂和亲核试剂解聚，得到单核镍化合物，通入CO则可得到CO插入Ni—C键产物(图21)。

LM=KCN、 LiMe、NaSPh图21 阴离子N-杂环卡宾Ni化合物合成Fig.21 Synthesis of anionicN-heterocyclic carbene Ni complexes

Cabeza等[79-80]通过C—S键断裂合成了类似的S阴离子N-杂环卡宾钯配合物。利用N-杂环卡宾前体陆续与CF3SO3Me和[Pd(DBA)2]反应，最终得到S阴离子N-杂环卡宾钯配合物。

5 结论

近年来，人们陆续开发出多种含有阴离子官能团的N-杂环卡宾配体及其金属配合物。阴离子官能团能提高N-杂环卡宾金属配合物的稳定性，由于螯合结构刚性，使其在不对称催化和聚合反应研究中显示出良好的催化选择性。与C、N和S阴离子N-杂卡宾金属化合物相比，O阴离子N-杂卡宾金属化合物研究最为深入，芳氧阴离子N-杂环卡宾在有机催化和烯烃聚合等领域均展现出良好应用前景。今后阴离子N-杂环卡宾研究应主要集中在以下两点。

(1)深入开展烯烃聚合研究: 芳氧阴离子N-杂环卡宾金属配合物在乙烯聚合和降冰片烯聚合等方向表现出良好的催化活性，但尚需进一步拓展烯烃单体种类和开展不同烯烃共聚研究。

(2)开展不对称催化研究: 阴离子N-杂环卡宾金属配合物在多种催化反应中表现出良好的催化选择性，但应进一步加强手性阴离子N-杂环卡宾金属配合物在烯烃复分解、偶联和氢硅化等不对称催化研究中的应用。