烯烃复分解反应及Grubbs 催化剂介绍

烯烃复分解反应及Grubbs 催化剂介绍(一)

烯烃复分解反应(olefin metathesis)是由金属烯烃络合物(又称金属卡宾)催化的不饱和碳碳双键或者叁键之间的碳架重排反应。该反应使得在通常意义下呈化学惰性的双键和叁键能够彼此偶联，极大地拓展了人们在构造化合物骨架时的想象空间。那些容易且有效形成碳碳键的化学反应是有机合成的基础，烯烃复分解是其中的一个重要分支，它正逐渐地成为一种有效的合成手段。同时，由于烯烃复分解反应具有反应条件温和、产率较高的特点，而且绝大多数的有机基团在这一反应中无需保护，所以近年来该反应受到了学术界和工业界的广泛重视。

1.1  烯烃复分解反应的类型

目前研究最多的烯烃复分解反应主要有三个类型:

图 1-1     烯烃复分解反应类型

(1)  开环易位复分解反应

(2)  闭环复分解反应(RCM: ring—closing metathesis)

(3)  交叉复分解反应(CM: cross metathesis)

1.2  烯烃复分解催化剂的发展历程及重要的催化剂

1.2.1  烯烃复分解催化剂的发展历程：

20世纪50年代中期，人们发现在催化剂的作用下，烯烃的碳碳双键会被拆散、重组，形成新分子，这种过程被命名为烯烃复分解反应。当时的催化剂主要是由过渡金属盐与主族烷基试剂或固体支撑底物混合形成，被称作不明结构的催化剂(ill-defined catalyst)，如WCl₆/Bu₄Sn，MoO₃／SiO₂，Re₂O₇/Al₂O₃等，由于它们成本较低且容易合成，因此在一些大规模的合成应用中发挥了一定的作用。但是另一方面这些催化剂对空气、水汽和体系中的杂质敏感，需要强路易斯酸等作助催化剂，寿命短及产生副反应而在有机化学的应用中受到很大的局限。在随后的近20年时间里，由于反应机理不明，人们只不过是在黑暗中摸索，没有取得较大进展。

      到了70年代末80年代初，就出现了结构明确的催化剂，并有相当大的进展。这些催化剂一般有较好的引发性和较高的催化活性，并用于合成新型有机分子。此外，这类催化剂通常无需苛刻的反应条件(如强路易斯酸的存在)，反应条件温和而且对官能团也具有较高的稳定性。主要的催化体系为钨、钼和钌，其中以钌催化剂最为突出如3和4（如图1-2）。

20世纪90年代初，钌催化剂主要以膦烷基和卤原子为配体，代表性的催化剂为5和6，称之为第一代催化剂。21世纪初最新发展起来的第二代催化剂7，8（如图1-3），以氮杂环卡宾为配体，这些催化剂能够在温和的条件下催化烯烃复分解反应，而且催化的活性、产率、转化率都很高。

理想的催化剂应该是可以完全回收且能重复使用而不失活性，所以近年来人们的研究方向开始向可回收、反复使用的催化剂发展，早期的很多报道都是设想将催化剂固定在聚合物上，但仅取得了有限的成功。Hoveyda[24]小组合成了一个新的钌金属卡宾络合物催化剂，它非常稳定且又很高的活性，反应后可以通过柱层析回收，但在大多数情况下只适用末端烯烃的底物(如图1-4中的9)。Qingwei在此基础上又发展得到了第一个水溶性的金属卡宾催化剂，它对不同类的碳环、杂环的合成都有较高的转化率，反应后用乙醚使其沉淀而简单的得到回收，且回收后其反应活性只有很少的降低，此类水溶性催化剂为水相

RCM反应开辟了前景(如图1-4中的10)。Schurer经过研究终于得到了一个固相催化剂，在反应结束后仅靠过滤将其除去就可以得到较纯的目标产物，大大方便了反应的提纯(如图1-4中的11)。

1.2.2 几种重要的催化剂

（1）Schrock催化剂

（2）Grubbs 催化剂

Grubbs催化剂是以钌金属为核心的催化剂（如图 1-6 中的 13），其通式为[Cl(L)(L’)Ru=C(H)R]，它具有非常广泛的官能团适用性，它稳定、易制备，甚至露置于空气中储存几个星期都不会分解。更主要的是它的催化活性不受空气、水分以及溶剂中杂质的影响，所以被广泛应用。但是与Schrock催化剂相比，它的活性稍微降低，而且催化合成四取代双键的环合产物比较困难。一般对于酰胺底物可以比较好的得到环化产率，底物中的羟基、酯基对反应没有影响。但是，此催化剂不适用于自由胺，一级胺的存在会致使催化剂中毒。

Grubbs的小组在继续深入地研究反应机理的同时得出一个重要的结论：反应的引发阶段包括了一个膦配体与金属离子的解离，从而产生具有催化活性的中间体。如能采取有效手段加速此膦配体的解离过程，催化剂的效率即可能得以提高。为了加速一个膦配体的解离，Grubbs设计使用了一个二取代的氮杂环卡宾的配体取代结构中原有的两个膦配体中的一个，这就是Grubbs第二代催化剂（如图1-6中的14）。它也具有很好的稳定性和官能团适用性，而且它也具有较高的活性，其与第一代催化剂相比优点是：催化RCM反应可以很好的得到二、三和四取代的环烯化合物，同时能很好的催化缺电子的烯底物进行RCM反应，并且第二代催化剂反应时间更短，催化剂用量更少。

（3）Grubbs-Hoveyda催化剂