2004年第24卷有機(jī)化學(xué)Vol. 24, 2004第9期，1004- 1017Chinese Joumal of Ogpanic ChenistyNo.9, 1004- 1017.綜述與進(jìn)展●釕催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究進(jìn)展李蕊瓊傅堯劉磊郭慶祥*(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系合肥 230036)摘要綜述了近年來(lái)在釕 催化的烯烴復(fù)分解反應(yīng)領(lǐng)域中的研究進(jìn)展.者重介紹了該反應(yīng)的各種基本類型的現(xiàn)狀、應(yīng)用和亟待解決的問(wèn)題,并介紹了反應(yīng)的機(jī)理以及催化劑的改進(jìn).關(guān)鍵詞釕,烯烴復(fù)分解反應(yīng), 金屬卡賓絡(luò)合物,催化反應(yīng)Progress in Ru-Catalyzed Olefin Metathesis ReactionsL, Rui-QiongFU, YaoLIU, Lei .GUO, Qing- Xiang'( Department of Chemistry, Uniersity of Science and Tehnology of China, Hefei 230026)Abstract Recent developments in olefon metathesis reactions catalyzed by Ru-carbene complexes were reviewed.Discussed in detail were the basic categories of the metathesis reactions and their present status, applications andunsolved problems. We also discussed the mechanism of the metathesis reaction and the improvement of the catalysts.Keywords Ru, olefin metathesis, metal-carbene complex, catalytic reaction烯烴復(fù)分解反應(yīng)(olefin metathesis)是由金屬烯烴絡(luò)合物1烯烴復(fù)分解反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展(又稱金屬卡賓)催化的不飽和碳碳雙鍵或者叁鍵之間的碳架重排反應(yīng)(Scheme 1)印.該反應(yīng)使得在通常意義下星化學(xué)早在20世紀(jì)50年代中期，烯烴復(fù)分解反應(yīng)就已被發(fā)惰性的雙鍵和叁鍵能夠彼此偶聯(lián),極大地拓展了人們?cè)跇?gòu)造現(xiàn)!2) .當(dāng)時(shí)的催化劑主要是由過(guò)渡金屬鹽與主族烷基試劑或化合物骨架時(shí)的想象空間.同時(shí),由于烯烴復(fù)分解反應(yīng)具有固體支撐底物混合形成,被稱作不明結(jié)構(gòu)的催化劑(ll反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)率較高的特點(diǎn)，而且絕大多數(shù)的有機(jī)基團(tuán)defined catalyst) ,如WCl/ BusSn, MoO:/SiO, Re20/Al2O3 等.在這一反應(yīng)中無(wú)需保護(hù),所以近年來(lái)該反應(yīng)受到了學(xué)術(shù)界和由于它們成本較低且容易合成,因此在一些大規(guī)模的合成應(yīng)工業(yè)界的廣泛重視.用中發(fā)揮了一定的作用.一個(gè)重要的例子是Shell 高級(jí)烯烴合成法[3].然而,這些催化劑所要求的反應(yīng)條件通常較為苛氣ROCM刻,往往需要強(qiáng)路易斯酸等助催化劑的參與,因此不少官能團(tuán)在反應(yīng)中會(huì)受到破壞[4].20世紀(jì)60年代中期到70年代末,出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)明確的催ROMP(n-1萬(wàn)~氣聲化劑( well defined catalys)用以催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)[5-8].這些催化劑一般具有較好的引發(fā)性和較高的催化活性.它們催RCM化的烯烴復(fù)分解反應(yīng)通常無(wú)需苛刻的反應(yīng)條件(如強(qiáng)路易斯酸的存在),反應(yīng)條件溫和,甚至在空氣以及潮濕的環(huán)境下，Rv +入p:一Rvp,R'CM催化性能幾乎不受影響.此外,這類催化劑對(duì)官能團(tuán)有較高的穩(wěn)定性.主要的催化體系為鎢、鉬和釕,其中以釕最為突Scheme 1出.Er-mail: qreuro@e uste. edu.cnReeived October 8, 2003; rerised and aceped Febnuary 16, 2004.國(guó)家自然科學(xué)基金(No.233020)資勐項(xiàng)目.No. 9李蕊瓊等:釕催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究進(jìn)展1005到20世紀(jì)80年代初,人們開(kāi)發(fā)出早期的釕催化劑1和Grubbs工作組合成第-一個(gè)釕卡賓絡(luò)合物[4).用三苯基膦代2用以催化烯烴復(fù)分解反應(yīng).20世紀(jì)90年代初,釕催化劑主替三環(huán)已基配體可提高催化活性,但其引發(fā)速度較慢;若在要以膦烷基和鹵原子為配體,代表性的催化劑為3和4,稱卡賓位引人氟代苯基(催化劑8),則可同時(shí)提高鏈的引發(fā)和之為第一-代催化劑21世紀(jì)初最新發(fā)展起來(lái)的第二代催化增長(zhǎng)速率.劑5, 6, 7 (Scheme 2),以氮雜環(huán)卡賓為配體[4) ,不僅能夠在溫和的條件下催化烯烴復(fù)分解反應(yīng),而且催化的活性、產(chǎn)率、轉(zhuǎn)化率都很高.....PRzPCy3, ,PhRu= =C= (Ru- -PArMePPhzHci PArPCy32.1.1對(duì) 稱結(jié)構(gòu)的ROCMBlechert 等曾研究過(guò)對(duì)稱取代降冰片烯( norbomenes)的MesNv NMesROCM反應(yīng)[15] .在釕卡賓絡(luò)合物的催化下降冰片烯與稍過(guò)PhPCysCIln,量的末端烯烴的反應(yīng),生成一種區(qū)域選擇性產(chǎn)物, 而且產(chǎn)率Xh..x- R很高.有時(shí)該反應(yīng)的催化劑用量?jī)H為0.07 mol% ,因而有著很高的效率[6)(Scheme 3).3(X=CI)(5mol%)MesN , NMes-OTBS +入 CMe;CH2Cb, 25 °C1.5 h, 98%MesNv ,NMes-OTBScTBSOOTBSEt(EMe:CCH2(E/Z= 1/5)Stheme 23(X = C) (0.07 mol%)入SiMe3 .CH2C2, 25 °C2釕催化烯烴復(fù) 分解反應(yīng)的各種類型及其應(yīng)用1.5 min, 94%目前研究最多的主要有三個(gè)類型的烯烴復(fù)分解反應(yīng)(Scherme 1): (1)開(kāi)環(huán)易位復(fù)分解反應(yīng)( ROCM: ringopeningcross metathesis) 以及開(kāi)環(huán)復(fù)分解聚合反應(yīng)( ROMP: ring-MeySiCH2'IH-CH2SiMe3opening metathesis polymerization); (2)閉環(huán)復(fù)分解反應(yīng)( RCM:(E/Z= 5/)(E only)ringclosing metathesis); (3) 易位復(fù)分解反應(yīng)(CM: crossmetathesis )4(X=CI)(2mol%)2.1 ROCM 和ROMP反應(yīng)CH2Ch, 25 °C20世紀(jì)50年代中期,人們發(fā)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)易位復(fù)分解反應(yīng)2h, 98%(ROCM)和開(kāi)環(huán)復(fù)分解聚合反應(yīng)( ROMP)2].目前這類反應(yīng)已經(jīng)成為合成一些功能高分子的有效方法[9].通常的ROCM及RROMP反應(yīng)屬熱力學(xué)控制,因而具有較大環(huán)張力的三、四、八等多元環(huán)較易開(kāi)環(huán)在金屬卡賓絡(luò)合物的催化下,開(kāi)環(huán)后的中間體有較好的聚合活性,因此可以通過(guò)連續(xù)加入單體的方(E,E/E,Z = 3.5/1)法合成高聚物[10..另一方面,如果使用低濃度的環(huán)烯烴,R= CH2CH3則得到烯烴復(fù)分解的產(chǎn)物.Scheme 3釕鹽作為ROCM和ROMP反應(yīng)的催化劑已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史[2).20世紀(jì)80年代后期，Gnubbs等發(fā)現(xiàn)釕類催化劑在2.1.2對(duì)稱結(jié) 構(gòu)的ROMP催化ROCM及ROMP反應(yīng)時(shí)能夠忍耐痕量的水[3].后來(lái)降冰片烯(Norbormene)的聚合是該類反應(yīng)中的- -個(gè)典1006有機(jī)化學(xué)Vol. 24, 2004型,曾有過(guò)一系列的研究報(bào)道[17.18]通過(guò)新型催化劑的使用，目前該反應(yīng)的產(chǎn)率已達(dá)到較高水平利用IR, 'H NMR及BC NMR測(cè)得聚降冰片烯中含90% ~ 95%的反式C-C雙cis-cisoid鍵.因此,這類反應(yīng)有著優(yōu)良的立體選擇性[9](Eq.1).tA_t'+*tunu;'+1cis-transoidtrans-cisoid山1h, DCE, 80°C產(chǎn)率: 100%， 催化劑與單體比為1:795 ..有時(shí)上述的聚合反應(yīng)需要添加單體作輔助催化劑.各種trans-transoid催化劑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(20] ,聚合產(chǎn)率最高可達(dá)63% .實(shí)驗(yàn)還Scheme 5發(fā)現(xiàn)三甲基硅偶氮甲燒(7Tnetysiydiazn methane)比偶氮酯的輔助催化效果好(21(Eq.2).的是，有時(shí)當(dāng)反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)發(fā)生- -些微小的變化時(shí)(如由反式變?yōu)轫樖?,則不能發(fā)生ROMP反應(yīng)此外,但凡選擇性好_N2CHSiMe/[Ru]的反應(yīng),產(chǎn)物中較大的烯烴基團(tuán)均位于離五元環(huán)取代基較近山-Benzyl chloride, 60 oCfCHsiMe3 (2)的位置上,即空間位阻較大的位置上[2).相比于鑰和鎢，釕催化劑對(duì)官能團(tuán)有著更好的穩(wěn)定性.R、甲R(shí)、IV然而釕催化劑對(duì)缺電子的烯烴,如丙烯酸及其行生物，卻有H個(gè)Ra)較低活性.盡管如此，有-類離子型的釕催化劑可以有效地[Ru]° H催化環(huán)烯烴與不飽和酯的ROMP反應(yīng)(2(Scheme 4).。84%R、H、號(hào)yR、里OMe日ctomeHu[Ru]mp(b)CysPCyg TA(8:1)Clr,HA,LR、”Cat:Ru=C=CH2l一Ru=C=CH2cI" PCys1'PCysR NR(cABF:OEt2BE4BF4Scheme 6B(C6Fs)4NMe,PhB(C6H:(CF3)2)4以上的結(jié)果與7-oxanomene體系中的情況正好相反|29].Scheme 4對(duì)于7-oxanomene體系,較大的烯烴主要取位于空間位阻較小的位置上:30(Eq. 3).2.1.3 ROMP 反應(yīng)的異構(gòu)化人們對(duì)1,3,5,7-環(huán)辛四烯的聚合反應(yīng)的研究已有多年0iY歷史.曾用過(guò)鎢催化劑,但未得到理想的產(chǎn)率[2.近來(lái)使用釘體系催化,得到較好的結(jié)果.不過(guò)產(chǎn)物依然存在著明顯的o同分異構(gòu)現(xiàn)象,順?lè)粗冉咏?0:40 (Scheme 5).有趣的是,minor在固態(tài)產(chǎn)物中再加入少量催化劑,在室溫下放置- -周,通過(guò)Yu."C NMR發(fā)現(xiàn)聚合物全部呈反式(Scheme 5)241.to(3)2.1.4 ROCM 的區(qū)域及立體選擇major使用末端烯烴作為底物時(shí),容易出現(xiàn)區(qū)域及立體選擇的現(xiàn)象Snapper等25.26)對(duì)此有過(guò)深人的研究.不同的非對(duì)稱取2.2 RCM 反應(yīng)代烯烴在區(qū)域及立體選擇性上有著很大差別.例如, Scheme對(duì)于RCM反應(yīng)的研究始于20世紀(jì)80年代[31-31].然而635-3)中反應(yīng)a的區(qū)域選擇性不是很明顯,但當(dāng)反應(yīng)物之一直到最近幾年,作為一種有效途徑, RCM反應(yīng)才在有機(jī)合成的呋喃環(huán)上帶有取代基后,則表現(xiàn)出極明顯的區(qū)域選擇性.反應(yīng)中大量出現(xiàn).很多研究表明, RCM反應(yīng)不僅具有較高的而對(duì)于反應(yīng)b,兩種產(chǎn)物的比例達(dá)到8:1,以反式為主.有趣效率, 而且對(duì)很多官能團(tuán)有著很好的穩(wěn)定性(2s).因此，目前No.9李蕊瓊等:釘催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究進(jìn)展1007RCM反應(yīng)常常被用來(lái)合成中環(huán)或大環(huán)化合物,其中五、六、[Ru] (3 mol/%)七元環(huán)的合成因其較低的環(huán)張力而較易實(shí)現(xiàn).通常情況下，AcOOAcCH2Cl2,rt. AcO---OAc45 hRCM反應(yīng)的成敗很大程度上取決于對(duì)催化劑的選擇,而且在反應(yīng)中存在著雙烯環(huán)合以及雙烯聚合的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)“.取代大環(huán)的合成由于底物有很好的約束性,通過(guò)改變反應(yīng)條基對(duì)RCM反應(yīng)有著很大的影響.經(jīng)驗(yàn)表明,取代基空間位阻件(通常是緩慢滴加)能夠表現(xiàn)出極高的效率.底物本身的結(jié)越大,吸電子能力越強(qiáng),越不利于RCM反應(yīng).當(dāng)然,有時(shí)可以構(gòu)至關(guān)重要,因?yàn)榇嬖?個(gè)相對(duì)于終端烯烴的遠(yuǎn)端取代基,引人適當(dāng)?shù)闹萍s構(gòu)象的基團(tuán),從而提高大環(huán)形成的可能性.立體選擇性會(huì)表現(xiàn)出極大差異[38(Scheme 8).值得--提的是,由于在RCM反應(yīng)中通常使用末端雙烯烴作為反應(yīng)物,理論副產(chǎn)物僅為乙烯,因此RCM反應(yīng)是一種”原子經(jīng)濟(jì)”的反應(yīng)[30] .2.2.1 - -般關(guān)環(huán)反應(yīng).4(4 mol%)CH2CL, r.t.有關(guān)RCM反應(yīng)的報(bào)道很多,其產(chǎn)率通常較高[6- 9(Eq.緩慢滴加4).79% (Z/E = 54/46)M=CHR兇(4)CH2C2.rt.PS-DES(丁基二乙基硅烷聚苯乙烯)負(fù)載的釘卡賓催化劑被認(rèn)為是一種極具活性且易回收的催化劑,特別適用于含取代基的RCM反應(yīng)中!9).最新的一個(gè)例子產(chǎn)率高達(dá)95%(Eq. 5).72% (ZE = 54/46)Scheme 87(5 mol%).TsN[ NTs(52.2.2立 體選擇RCM使用非手性的催化劑和手性的雙烯烴底物進(jìn)行RCM反應(yīng),產(chǎn)物往往有著一定的立體選擇性[45] .有趣的是,這種立帶有取代基及取代烯烴的吡喃環(huán),在第二代釕卡賓絡(luò)合體選擇性常常受催化劑的影響很大(46),其具體的規(guī)律尚值體系的催化下易發(fā)生CM反應(yīng),此時(shí)不存在選擇性.通過(guò)追得進(jìn)一步研究(Scheme 9).加連有MeSi取代基的末端烯烴,保護(hù)了原烯烴,使反應(yīng)向RCM方向進(jìn)行(40)(Scheme 7).[Ru] (10 mol%)CH6/80°C/4 dOTBSOTBS 98%162%/ xy,OSiMe.ClLo個(gè)TfImidazole| [Mo] (10 mol%)syn/anti = 8:92nOlOCH,CH/ 80°C/3d↓97%6(10~ 15 mol%) X,OTBSCH,C.23°C BiO- 上BnOOCH;syn/anti= 86:14Scheme 7Scheme 9炔烴與烯烴間也可以發(fā)生RCM反應(yīng)[1].但在有些情況然而若使用手性的催化劑,則可以控制RCM反應(yīng)的立下得不到較高的產(chǎn)率,選擇性也比較差[42].當(dāng)末端炔烴帶有取代基時(shí),產(chǎn)率有明顯的提高(Eq.體化學(xué)性質(zhì).目前,人們已經(jīng)合成了一些手性的鉬催化6)41.若改變反應(yīng)條件,例如使反應(yīng)在乙烯氣氛下進(jìn)行,產(chǎn)劑(4],并發(fā)現(xiàn)它們對(duì)大量的RCM反應(yīng)有著很高的對(duì)映體選擇性(8 -51].盡管如此,由于鉬催化的RCM反應(yīng)缺乏對(duì)官能率更令人滿意([4).Vol. 24, 2004有機(jī)化學(xué)1008團(tuán)的穩(wěn)定性，而且通常儒要較為苛刻的反應(yīng)條件(溫度濕度Pd(0)_等),人們也積極發(fā)展手性的釕催化劑.給出的例子最近由四+=+CO+rnbbes等[2)給出(Eq. 7).xHSO2Ph9(則[Ru]+ Naly-R(7)RRTR2Rl-H, R2=H, 39% eeR'=Me, R2=H,35% ee當(dāng)四為“時(shí)，產(chǎn)率最病.達(dá)到98%6R'=H, R2= Me, 90% eeRRScheme 11R'=Ph,r -A[Ru]"Ar = o-isopropylphenylPCy. Ph3(30%) .CH2Ch.4s%C2.2.3聯(lián)串反應(yīng)12h在一步中完成幾個(gè)前后關(guān)聯(lián)的反應(yīng)稱為聯(lián)串反應(yīng)10(Tanden raction). 這樣的反應(yīng)有著簡(jiǎn)潔高效的優(yōu)點(diǎn).對(duì)于含多個(gè)烯烴的底物, RCM反應(yīng)往往會(huì)兩兩發(fā)生于幾個(gè)雙鍵之低聚物0間,形成聯(lián)串反應(yīng).具體的例子如下圖所示.0 (Scheme10).3(10%)。5 moP%3TFAcI0.1 mol/L (CH)CH2C, 45°Cpiyon'60C,2h(90%)2h3 mol% 3s為1%的交聯(lián)聚乙烯樹(shù)脂,0 、0.07mo/L (CH) ,OMe60°C,6h(70%)R~]+ 低聚物s mol% [Ru]0.1 mol/L (CH2C)HN.22 °C, 10~14h101 kPaCH42Scheme 12 .Scheme 10繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn),在樹(shù)脂負(fù)載下某些化合物已不再生成環(huán)釘催化的RCM反應(yīng)有時(shí)還能夠與其它過(guò)渡金屬催化的合物,而反應(yīng)條件并無(wú)很大改變[5.催化劑量30 mol% ,溫度反應(yīng)進(jìn)行聯(lián)串.-個(gè)較為有趣的例子是釕、鈀復(fù)合催化的聯(lián)為45 C,在二氯甲烷中反應(yīng)16 h,樹(shù)脂填料極其微量(0.55串反應(yīng)(Scheme 1).反應(yīng)的第一步 是鈀催化的Heck反應(yīng),其mmol/g),產(chǎn)率分別是84%和70%(Scheme 13).生成的雙烯經(jīng)由釘催化關(guān)環(huán).2.2.5 RCM 在全合成中的一些應(yīng)用2.2.4固態(tài)底物支持的 RCM反應(yīng)RCM反應(yīng)有著條件溫和、高效的優(yōu)點(diǎn).它將在絕大多數(shù)將樹(shù)脂引人具有雙末端雙鍵的大分子體系,可有效抑制反應(yīng)中呈惰性的雙鍵變成有用的官能團(tuán),并極大方便了中環(huán)RCM反應(yīng)，以達(dá)到預(yù)期所要的二聚體(5)目前主要研究的是及大環(huán)化合物的合成因此, RCM反應(yīng)最近在天然化合物的同種分子的反應(yīng)(Scheme 12).全合成中被廣泛應(yīng)用.這 里介紹幾個(gè)較為重要的例子.No. 9李蕊瓊等:釘催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究進(jìn)展1009MeoOMeMeOMeO、、0HN., NHC1oH21OH四-o-(,NHN'o Cr1dH21Scheme 132.2.5.1 Nonenolides herbanumin r[57]限制81-841.最近,Danishefsky等研究出-種新的合成方法該化合物并不復(fù)雜,但在RCM為核心步驟的全合成中(Schene 15), 用以合成Epothilone 490.合成的最后一步是具有代表性.對(duì)它的研究所提供的重要信息為,催化劑的不RCM反應(yīng),立體專一性很好,因而精彩地解決了多年的難同能夠?qū)е庐a(chǎn)物的順?lè)磶缀螛?gòu)型不同(Scheme 14). 由催化題[85].劑[ Ru][58-64]得到的主要是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的反式產(chǎn)物,產(chǎn)率為69% ;而使用催化劑[ Ru][8 -7]則得到熱力學(xué)上的穩(wěn)定順式產(chǎn)物,產(chǎn)率為86%/72-761. 由此可見(jiàn),在合成中多試用見(jiàn)Lores_幾種不同的催化劑是值得的.RC<&=二[Ru]t0個(gè)名人OH)HRCM[Ru]2HO~O、H0-Epothilone 490Scheme 15Nonenolides herbarumin I2.2.5.3 ColeophomonesScheme 14該類化合物有三種異構(gòu)體:A, B, c(61. 其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于:三個(gè)很具活性的羰基片斷最終構(gòu)成張力較大而且2.2.5.2 Epothilone在該類化合物的合成中,立體控制- -直是難以解決的問(wèn)結(jié)構(gòu)僵硬的十- -元環(huán)體系.利用烯烴復(fù)分解反應(yīng)來(lái)合成這類題[7-80].由于這個(gè)原因，該類化合物在制藥方面的應(yīng)用受到結(jié)構(gòu)特殊的大環(huán)化合物,不失為一種巧妙的方法07].反應(yīng)中1010有機(jī)化學(xué)Vol. 24, 2004用到最新型的Grubbs型釕卡賓催化劑[8],而早期的Gnubbs型釕卡賓催化劑[89.90卻不能催化該閉環(huán)反應(yīng)(Scheme 16).RC子丫RR?^CO2MeSEM0R!一R'OROMeTIPSa1HNCI.00、ent-()-roscophilinScheme 180 HO肽化合物、內(nèi)酰胺、環(huán)狀磺酰胺、以及含磷雜環(huán)化合物等- -系Colecophomone BColeophomone C列具有生理活性的重要化合物[95.%6].Scheme 162.3 CM反應(yīng)CM反應(yīng)是兩種烯烴分子之間的復(fù)分解反應(yīng),它為烯烴2.2.5.4 Tuberostemonine的合成開(kāi)辟了新路這類反應(yīng)同樣存在區(qū)域選擇性及立體選這是一種多環(huán)化合物[91].其全合成中關(guān)鍵的-一步就是擇性問(wèn)題(Eq.8).最后的RCM反應(yīng)(Sheme 17){92].R'個(gè)+R2>M=CH2p!^(8)cat.H目的產(chǎn)物RO"YTcooMe RCMR心。R'非目的產(chǎn)物Ph2.3.1區(qū)域選擇與 立體選擇在CM反應(yīng)中,人們并不期望”自復(fù)分解”反應(yīng)發(fā)生.因此，如何避免“自復(fù)分解”反應(yīng)是區(qū)域選擇與立體選擇必須考二+.慮的重要方面.最近有很多關(guān)于丙烯酸衍生物的立體選擇性烯烴復(fù)分解反應(yīng)的報(bào)道[97- 12.不過(guò)也有例外:烯醇與氮異丁基丙烯酸則發(fā)生非選擇性復(fù)分解反應(yīng)[103] ,復(fù)分解產(chǎn)物與(-)-Tuberostemonine二聚體之比為52:48 (Eq. 9).Scheme 175(5 mol%)2.2.5.5 RoseophinA入CH20H +MeOH (0.2 molL)45 °C,12h這是一種防癌的抗生素類物質(zhì)[93]) .它有一種獨(dú)特的雙五元環(huán)并大環(huán)骨架,是雜環(huán)吡咯環(huán)和呋喃環(huán)共存的共軛體OHCH2OH系.在最近的一-次不對(duì)稱全合成中,得到該類天然產(chǎn)物ent-(9)(- )-rophilin的絕對(duì)構(gòu)型[9)(Scheme 18).o通過(guò)以上的幾個(gè)例子可以看出，RCM反應(yīng)由于其較好的官能團(tuán)穩(wěn)定性,在復(fù)雜的具有生物活性分子的合成中正發(fā)新的一些高活性的釕催化劑的出現(xiàn),使烯烴復(fù)分解反應(yīng)揮著越來(lái)越大的作用.可喜的是,最近RCM反應(yīng)在藥物設(shè)計(jì)又發(fā)展了一大步.一類曾經(jīng)對(duì)復(fù)分解反應(yīng)表現(xiàn)惰性的化合和合成領(lǐng)域中也受到了廣泛的重視.利用RCM反應(yīng)人們開(kāi)物,如非飽和羰基化合物，也可以進(jìn)行烯烴復(fù)分解反發(fā)出一些新穎的方法用以合成苯并吡哺類衍生物氨基酸和No. 9李蕊瓊等:釘催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究進(jìn)展1011應(yīng)[104- 0) ,并且反應(yīng)的選擇性很好,甚至可以達(dá)到僅生成單E一產(chǎn)物的水平[0)(Eq.10).OTBSTBSQ(13)TBSOts + SO2Ph_CH2Ch2TBSOKA一SO2Ph (10)refuxE=CO2Me X=0 67% .X=CH2 88%利用該反應(yīng)的立體化學(xué)特性,還可以對(duì)一些天然產(chǎn)物的E=COMe X=0° 68%降解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(Eq.1)10). 由于該反應(yīng)最后得X=CH2 73%E= CHO65%到內(nèi)消旋產(chǎn)物，人們認(rèn)定反應(yīng)物為(3R,8S)構(gòu)型.x=CH2 61%E=CIx=O0%HO、8HOS===HO8一C;His性[121 .若加入HCl,可使立體專-性進(jìn)- - 步提高[1251.但很多烯烴對(duì)酸不穩(wěn)定,使反應(yīng)不能正常進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),改變催化(1)劑,則問(wèn)題得到解決[1261.催化劑5在催化CM反應(yīng)中,使對(duì)酸、堿敏感的缺電子且結(jié)構(gòu)不對(duì)稱烯烴順利進(jìn)行反應(yīng),立體選擇性很好,對(duì)含雜原子的烯烴也可順利反應(yīng)(Eq.14).、個(gè)oH、"OHV"3°OHmeso .chiral(R,8S)/(S,8S))HPMPO、2.3.2 炔烴的CM反應(yīng)QH炔烴也可以參與CM反應(yīng)[109-11,主要應(yīng)用在官能化炔(14)烴的復(fù)分解反應(yīng)及高聚物的合成中112].這類反應(yīng)可以用SiMe3.Grubs型催化劑催化，在室溫下即可進(jìn)行(Eq.12).如果使用Schrock型鋁催化劑,則會(huì)發(fā)生炔烴的聚合113]1 ,這時(shí)的反2.3.4質(zhì)子溶劑中的反應(yīng)應(yīng)屬ROMP反應(yīng).大多數(shù)的烯烴復(fù)分解反應(yīng)在干燥的非質(zhì)子溶劑中進(jìn)行[2].自從Grubbs等發(fā)現(xiàn)水溶性的催化劑9b可在醇水混6(5 mol%)合溶液中催化ROMP和RCM反應(yīng),質(zhì)子溶劑中的烯烴復(fù)分O-=+ASiMoCH2C2,18~24 h解反應(yīng)開(kāi)始受到關(guān)注.. 盡管如此,9b對(duì)CM反應(yīng)幾乎表現(xiàn)惰性[028-132]最近,人們開(kāi)發(fā)出催化劑5a和5b.它們較催化劑6有著(12)較慢的引發(fā)速度,但它們穩(wěn)定性很好,催化活性高,特別是在醇、水這一類質(zhì)子溶劑中13).它們是一類甲醇可溶性催化炔烴CM反應(yīng)的立體選擇問(wèn)題自1985 年以來(lái)14一直劑,可有效催化質(zhì)子性溶劑(甲醇-水溶液, DMF-水溶液)中受到關(guān)注.近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，利用催化劑611),可以達(dá)到很好的CM反應(yīng).這類催化劑的應(yīng)用為混合水溶液中生物質(zhì)的合的立體專-性,產(chǎn)物以反式為主,甚至在很多情況下沒(méi)有順成開(kāi)辟了廣闊的空間,進(jìn)-一步 的研究還在進(jìn)行中(134].式產(chǎn)物116].反應(yīng)可能分成兩步(Scheme 19), 而第二步反應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中117-121.Mesiv NMescIhCIl.R-=臺(tái)||公Rc1rPCy2major: ExScheme 199a X=CH2Sa X=H5b X= CHPr-i9b X= NMe2*Cr在溫和條件下合成共軛(E)-1,3-二烯, RCM-CM聯(lián)串反應(yīng)提供了高效的合成法[12}(催化劑為5或6).反應(yīng)須在不2.3.5 應(yīng)用飽和炔烴與共軛烯烴間進(jìn)行[123],但當(dāng)烯烴為乙烯時(shí),得不由于產(chǎn)率及立體選擇的問(wèn)題,CM反應(yīng)目前仍然處于探到目的產(chǎn)物(Eq. 13).索階段,而尚未被廣泛應(yīng)用.迄今,CM反應(yīng)的應(yīng)用較為成功2.3.3催化劑的選取的只有碳水化合物單體的合成[1381.例如,Gnubbs等曾進(jìn)行了催化劑6可催化很多CM反應(yīng),也具有很好的立體選擇CalIy-a-D- gucopranoeide與二取代烯烴之間的CM反1012有機(jī)化學(xué)Vol. 24, 2004應(yīng)[16),產(chǎn)率較好(Scheme 20)夠描述反應(yīng)機(jī)理.3.3決速步和四元環(huán)過(guò)渡態(tài)[149]OBnChauvin機(jī)理描述了一個(gè)多步反應(yīng).究竟哪一步是整個(gè)OAc反應(yīng)的決速步驟呢?最近,Chen等仔細(xì)地研究了1-丁烯與.BBmoSor AcOVMPRgClRu -=CHAr之間的CM反應(yīng).他們發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)的速度有著較大而且為正的Hamnett 反應(yīng)常數(shù).鑒于反應(yīng)物中釘中心是缺電子體系,因此Ar上的吸電子基團(tuán)使得反應(yīng)物變得不QBn夠穩(wěn)定.這樣-來(lái),正的Hamnett反應(yīng)常數(shù)意味著在反應(yīng)的BnQD過(guò)渡態(tài)中,釕中心與Ar之間的共軛減弱.這暗示了反應(yīng)的決BnOOBn[速步為四元環(huán)的生成.進(jìn)一步的二級(jí)同位素效應(yīng)研究iR(PRsCl2Ru- -CDAr比較PRgCLRu - CHAr, kn/kp= 0.80)表Scheme 20明,反應(yīng)的決速步牽涉到sp2碳到sp'碳的轉(zhuǎn)化這也表明了四元環(huán)的生成是決速步.3釕催化烯烴復(fù) 分解反應(yīng)的理論研究那么四元環(huán)是反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)還是反應(yīng)中間體? Chen 等的質(zhì)譜研究沒(méi)有給出任何金屬四元環(huán)絡(luò)合物的信息,暗示四3.1 概論元環(huán)不是反應(yīng)中間體,而是過(guò)渡態(tài).同時(shí), Chen等發(fā)現(xiàn)1-丁鑒于烯烴復(fù)分解反應(yīng)的重要性,人們對(duì)其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行烯與PR&CLRu - CHAr之間的CM反應(yīng)在正反兩個(gè)方向有著了大量研究[137-146),目前被廣泛接受的是所謂的Chauvin機(jī)-一樣的二級(jí)同位素效應(yīng).這暗示該反應(yīng)是單步反應(yīng),再- -次理[47.根據(jù)這一理論, 烯烴與金屬卡賓絡(luò)合物反應(yīng)首先生表明四元環(huán)是過(guò)渡態(tài).然而，Chen 等的理論計(jì)算卻表明四元成一個(gè)π絡(luò)合物[48.然后發(fā)生插人遷移,使烯烴配體進(jìn)攻環(huán)結(jié)構(gòu)是勢(shì)能面上的一個(gè)極小點(diǎn),也即四元環(huán)是反應(yīng)中間金屬:卡賓鍵,生成四元環(huán).接著舊鍵斷裂,進(jìn)而生成新的烯烴體,而非過(guò)渡態(tài).值得一.提的是,在計(jì)算中由于資源的限制，π絡(luò)合物.最后π絡(luò)合物分解生成新的烯烴(Scheme 21).有Chen等采用了PH3而非實(shí)驗(yàn)中的PCy.由于PHy與PCy3的趣的是,熱力學(xué)不穩(wěn)定、且對(duì)稱禁阻的四元環(huán)過(guò)渡態(tài)的形成空間要求不同,以上理論與實(shí)驗(yàn)之間的矛盾可能來(lái)自于膦配是整個(gè)催化過(guò)程的關(guān)鍵.這種四元環(huán)過(guò)渡態(tài)也存在于齊格勒體的不同.所以，目前我們對(duì)四元環(huán)屬性的認(rèn)識(shí)還不夠完善，-納塔(iglrNatta)聚合反應(yīng)中[4) .然而,與齊格勒-納塔繼續(xù)研究顯然還有必要.聚合反應(yīng)不同,釕催化的烯烴復(fù)分解反應(yīng)無(wú)需質(zhì)子作助催化3.4締合 機(jī)理與解離機(jī)理劑.需要指出的是,上述Chauvin機(jī)理到目前還仍然是一個(gè)假在釘催化的烯烴復(fù)分解反應(yīng)中,釕既可以采用六配位的設(shè).盡管尚沒(méi)有實(shí)驗(yàn)事實(shí)與這一機(jī)理相違背,我們?nèi)匀蝗狈Y(jié)構(gòu)，也可以采用五配位的結(jié)構(gòu).關(guān)鍵是釕上的“輔助”配體許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)確定反應(yīng)機(jī)理中各步驟的具體細(xì)節(jié).為了更(如PR)是否在反應(yīng)中離去.這樣一來(lái),我們就得到兩種可好的理解釕催化烯烴交換反應(yīng)的機(jī)理,人們最近使用了量子能的機(jī)理,即締合機(jī)理(associativemechanism)與解離機(jī)理化學(xué)計(jì)算方法較為細(xì)致地研究了機(jī)理中的一些基本問(wèn)(isociative mchanism)190.18] .題[150-153] .通過(guò)量化計(jì)算,人們得到了當(dāng)L=PH3，R=R'=H時(shí)，反應(yīng)中每步的能量(小括號(hào)內(nèi),單位:4.18 kJ/mol).這里, I為(PH)2ChRu -CH2, TS為過(guò)渡態(tài)(Scheme 22)LM=(根據(jù)Scheme22我們可以看出,在締合機(jī)理中金屬原子與烯烴相互作用需要很大的能量,反應(yīng)能壘很大一部分來(lái)自R于金屬卡賓絡(luò)合物內(nèi)部的扭轉(zhuǎn)能.若要形成四元環(huán)過(guò)渡態(tài)，兩個(gè)雙鍵必須處在同-平面上,即需要實(shí)現(xiàn)1I2→1-2:的轉(zhuǎn)一|小利化.由于共平面結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定,大約需要25 kJ/mol的能量，Scheme 21而相應(yīng)的前線軌道的形成對(duì)o給體和π給體無(wú)太大差別,所以其穩(wěn)定性主要由空間效應(yīng)決定.由于在最初的烯烴與金屬3.2 基本研究方法卡賓發(fā)生作用中產(chǎn)生了很大的能壘,這一步成為反應(yīng)的決速幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化通常采用密度泛函方法DFT(如B3LYP步.和BP86)并配以LAN2DZ基組.優(yōu)化后的結(jié)果使用B3LYP對(duì)于解離機(jī)理,雖然通過(guò)反式機(jī)理生成的金屬四元環(huán)能與CCSD(T)等方法配以更高的基組計(jì)算單點(diǎn)能量經(jīng)過(guò)零點(diǎn)量較高,過(guò)渡態(tài)的能量相差21 kJ/mol (TS11,12比TS78大21能校正以及簡(jiǎn)諧振動(dòng)和剛性轉(zhuǎn)子近似，最后我們可以得到體kJ/ mol)左右,但順式機(jī)理中多一步過(guò)渡態(tài)的生成(TS67)使系的各種熱力學(xué)參數(shù).必要時(shí)還可以使用適當(dāng)?shù)娜軇┠Ｐ蛯?duì)其活化能至少升高42 kJ/mol.由此可見(jiàn),解離機(jī)理是優(yōu)勢(shì)機(jī)各體系的溶解能進(jìn)行估算.使用以上的方法至少在定性上能No. 9李蕊瓊等:釘催化烯烴復(fù)分解反應(yīng)的研究進(jìn)展1013烯烴加成形成的絡(luò)合物的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng).但NHC卡賓使cu, tM=CHR'_=. M=CHR'TS22M=CHR'引發(fā)速率降低,似乎有欠合理.晶體結(jié)構(gòu)表明,這不是基態(tài)效TS1Z CIPR,(0.8)應(yīng).因?yàn)镽-L鍵長(zhǎng)變化很小,可能與空間效應(yīng)有關(guān).雖然PR，(12.8)1I-2 (-5.6)1I-2 (0.5)PCys與Imes都是大基團(tuán),但空間排列方式不同導(dǎo)致- -些分11-1 (0)子間相互作用的穩(wěn)定性不同.C1。 個(gè)4.1.2配體 XTS23 cIr"cr1通過(guò)改變配體X發(fā)現(xiàn)53,催化劑活性的順序?yàn)閄=I<(4.4)PRgPR3Br