烯烃复分解催化剂的前世今生

2017年05月15日 分类: 化工资讯

  自2005年烯烃复分解领域有关科学家获得诺贝尔化学奖以来,这个领域就一直成为有机化学和高分子合成化学的热门。该反应在高效的催化剂下使得在通常意义下呈现化学惰性的双键和三建能够彼此偶联,极大地拓展了人在构造化合物骨架的想象空间。目前已经成为广泛使用的形成碳碳键的有机合成反应。

  烯烃复分解反应的研究,可以追溯到上个世纪的50年代中期。当时的催化剂主要为结构尚不明确的催化剂种类,主要由过度属盐与主族烷基试剂和固体支撑底物混合而成。典型的例子如WCl6/Bu4Sn、MoO3/SiO2、Re2O7/Al2O3等,但是这类催化剂的寿命较短且容易产生副反应,因此在真正使用过程中受到很大的局限。


  60年代中期到70年代末期,Schrock得到了一些结构明确的属催化剂(图1中1、2、3),经过不断地探索,与1990年得到了催化剂4,这是第一种较实用的催化剂,使得该领域研究有着相当大的进展。并且,这些催化剂通常不需要严格苛刻的反应条件,且稳定性相对较好。

  总体来讲,尽管这些催化剂取得了一定的成功,但这些催化剂对水和氧气都比较敏感,对于羧酸和羟基化合物不兼容,因此,人们逐渐把目光转向了催化剂,经过多年的探索,美国科学家Grubbs发展的一系列催化剂获得了极大的成功。

  第一代Grubbs催化剂

  1995年,Grubbs等报道了使用重氮化合物作为卡宾源与RuCl2(PPh3)3、PCy3在二氯甲烷中反应得到最终产物,反应产量可以达到85-90%,在该反应在中,中间产物RuCl2( = CHPh) ( PPh3 ) 2在二氯甲烷中不稳定,进一步发现将该中间产物分离出来,在重氮化合物与RuCl2(PPh3)3反应几分钟后,在-50oC下直接加入PCy3,反应一小时就可以得到产物,产率达到99%。

  这之后,有多个课题组对Grubbs一代催化剂的制备路线进行了改进,这里就不再详细地阐述。部分改进的制备路线列于下图。

  第二代Grubbs催化剂

  Grubbs于1999年在第一代催化剂的基础上发展了第二代催化剂,第二代催化剂中由更强给电子能力和更高稳定性的氮杂环卡宾配体代替了一代催化剂中的一个膦配体,第二代催化剂的活性的催化活性至少比第一代催化剂提高了两个数量级,这使得催化剂的用量可以更少,并且官能团的兼容性得到了一定程度的提高。

  Grubbs在早期发展的二代催化剂制备路线中,是使用一代催化剂与SIMes·HCl作为起始原料。最初使用属氢化物对氮杂卡宾去质子化,希望直接得到游离的卡宾,但是与不饱和的氮杂卡宾不同,这种方式对于饱和的氮杂卡宾SIMes不适用。最终他们使用氮杂卡宾的四氟硼酸盐在甲醇中与甲醇钠反应或在THF中与叔丁醇钾反应生成烷氧基保护的氮杂环卡宾加合物,然后与一代催化剂反应,以75%的收率得到二代催化剂。

  在后续研究中,同样也多个课题组对该催化剂的制备路线进行了优化。

  第三代Grubbs催化剂

  2002年Grubbs进一步得到了第三代催化剂,结构上是以两个吡啶环替代了二代催化剂中的膦配体。三代催化剂的制备相对较容易,仅仅需要将过量的溴吡啶与二代催化剂混合,几分钟即可生成产物,并且在后续的纯化过程中,仅仅需要将混合物在正戊烷中沉淀,而无需其他繁琐的纯化步骤。

  三代催化剂的特点是引发过程极快,并且在开环易位聚合反应中表现优异,一个小时内就能完成几百个聚合度以内的聚合,对降冰片烯类单体的聚合可控性最佳。目前,该试剂已经商业化,成为了广泛使用的聚合催化剂。

  此外,除了这些广泛使用的几种催化剂,Grubbs催化剂还有着多种重要的变种,如Hoveyda-Grubbs 催化剂等,它们在不同的合成中有着不同的优势。

  总体来讲,烯烃复分解反应在有机合成中发挥着越来越重要的作用,实用的Grubbs催化剂推动了该类反应的发展。目前该类反应主要从以下几个方面发展:(1)针对性地优化已有的Grubbs催化剂,通过配体的调节,进一步提高催化剂活性、立体选择性、官能团兼容性;(2)发展潜催化剂,通过外加的条件来控制催化的引发;(3)发展少属甚至是无属的复分解催化剂体系。