蓝宇教授团队最新Accounts!

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▲通讯作者: 戚孝天 (Xiaotian Qi)

通讯作者: 蓝宇 (Yu Lan)

通讯单位: 郑州大学、武汉大学

论文DOI:10.1021/acs.accounts.1c00075

01

背景介绍

卡宾是一类重要的有机合成中间体,其电中性的二价碳原子赋予了卡宾化合物较高的反应活性。在过渡金属催化调节下,金属卡宾可以作为活性中间体实现一系列的化学转化,如对σ键的插入反应、环丙烷化反应、叶立德生成反应等。实验合成中围绕金属卡宾的转化取得了诸多成果,国内外众多课题组都为该领域的发展做出了突出贡献,如王剑波教授课题组、Schwarz课题组、Cossy和Meyer课题组等。实验上的发展为卡宾转化反应的理论研究提出了更高的期望,系统翔实的反应机理研究将为卡宾转化反应的调控与设计提供理论指导,有助于进一步推动卡宾化学在合成上的应用。

02

图文解析

蓝宇教授郑州大学课题组多年来一直致力于金属有机化学反应理论研究,在金属卡宾转化反应机理研究方面积累了一系列成果(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5772-5780;ACS Catal. 2020, 10, 1256-1263;Chem. Commun. 2020, 56, 4732-4735;Chem. Sci. 2020, 11, 7214-7225; Coord. Chem. Rev. 2019, 382, 69-84.)。近期蓝宇教授和武汉大学戚孝天教授合作撰写了综述文章“Recent Advances in Theoretical Studies on Transition-Metal-Catalyzed Carbene Transformations”,以封面文章的形式发表在Accounts of Chemical Research上,文中总结了金属卡宾与亲核试剂反应的理论研究成果,归纳出三种具备普适性的反应模式(见下图):
A) 分子内卡宾迁移插入模式;
B) 分子间亲核进攻模式;
C) 外层亲核进攻模式。

在这三种反应模式中,分子内卡宾迁移插入和分子间亲核进攻模式较为常见,因为金属卡宾中的碳中心通常具有亲电性,容易接受亲核试剂对卡宾的进攻。其中分子内卡宾迁移插入模式由于不存熵损,一般具有较低的能垒,卡宾生成过程为反应决速步;而分子间亲核进攻的能垒则需要考虑到熵损效应和亲核试剂的亲核性强弱。从机理角度分析,金属卡宾对σ键的插入反应也属于分子间亲核进攻模式。因此,以上两种转化模式广泛存在于金属有机化学反应中。

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不同于以上两种模式,外层亲核进攻模式描述了一类独特的金属卡宾转化机理,该机理中卡宾碳中心的未成键电子并未与金属中心结合,亲核试剂直接进攻裸露的卡宾碳中心,金属催化剂作为路易斯酸促进卡宾的生成,同时稳定外层亲核进攻过渡态和相应的中间体。这类卡宾转化模式新颖有趣,但相关研究较少,蓝宇教授课题组系统研究了Ag(I)催化的卡宾C-C插入反应和Sc(III)催化的卡宾C-H插入反应,对比分析了两种金属催化剂的催化活性差别,揭示了两种卡宾转化模式的特点。根据毕锡和教授课题组报道的实验结果(见下图),使用重氮化合物和1,3-二羰基化合物作为反应物,在Ag(I)的催化下反应将生成C-C插入产物,而在Sc(III)的催化下将得到C-H插入产物,这迥然不同的反应选择性意味着反应机理上的巨大差别。通过理论计算研究,蓝宇教授课题组发现Ag(I)卡宾和Sc(III)卡宾物种分别以金属卡宾(metal carbene)、金属连接的自由卡宾(Sc-ligated free carbene)形式存在,二者具备完全不同的电子性质和反应活性,最终决定了不同的化学选择性。

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计算结果表明(见下图),Ag(I)催化的脱氮气卡宾化过渡态中,Ag(I)倾向于与即将形成的卡宾碳中心结合(TS-17),生成稳定的Ag(I)-卡宾物种,Ag(I)连接的自由卡宾的生成具有较高的能垒(TS-18),其稳定性也较差。而Sc(III)催化的脱氮气卡宾化过程倾向于生成Sc(III)连接的自由卡宾物种(TS-20),其金属卡宾的生成(TS-19)具有较高的能垒。对比卡宾物种35和36的稳定性也能发现,Sc(III)催化剂与卡宾碳中心的结合并不能对卡宾起到额外的稳定作用。这是因为Sc(III)具有d0的外层电子结构,无法与碳的p轨道形成稳定的反馈π键作用。因此Sc(III)催化剂可以作为路易斯酸促进自由卡宾的生成,得到Sc(III)连接的自由卡宾物种36,所以随后卡宾与1,3-二羰基化合物的反应将按照外层亲核进攻模式进行。

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在外层亲核进攻过程中(见下图),Sc(III)催化剂作为路易斯酸连接了两个反应组分,不仅稳定了过渡态(TS-24),还使得生成的烯醇α碳具有较强的碱性,因此倾向于发生1,4-质子转移,生成卡宾C-H插入产物。作为对比,Ag(I)卡宾与1,3-二羰基化合物的反应按照分子间亲核进攻模式发生(TS-21),反应倾向于通过环化/开环过程生成卡宾C-C插入产物。这一研究成果详细的展示了外层亲核进攻模式与分子间亲核进攻模式的差别,同时论证了Ag(I)与Sc(III)电子结构差别将直接影响卡宾转化的反应机理和选择性。

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03

总结与展望

最后在文章中,作者归纳总结了金属、配体等因素对卡宾转化机理的影响:后过渡金属(Ru, Rh, Pd, Ni等)参与的卡宾转化反应,通常倾向分子内迁移插入模式;货币金属,如Cu, Ag, Au等参与的卡宾转化通常以分子间亲核进攻方式发生,另外后过渡金属与大位阻配体的组合也倾向分子间亲核进攻模式;外层亲核进攻模式通常适用于具有较强路易斯酸性的金属。由于Accounts篇幅所限,该综述仅涵盖了金属卡宾转化反应机理研究的部分工作,还有许多遗珠值得深入探讨。同时作者认为,本综述中总结的三类金属卡宾转化模式具有广泛的普适性,可应用于各类金属卡宾转化反应中。

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05

文章封面

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