烯烃复分解反应
能量意外释放理论-服务运营
2023年2月21日发(作者：1553b总线)手性氮杂环卡宾为配体的Ru催化剂在烯烃复分解反应中不对
称催化的研究进展
摘要：随着烯烃复分解反应催化剂的不断进步，单纯为了提高催化活性的催化剂已经不再是关
注的焦点。烯烃复分解的不对称催化因其更加实际的应用价值而被寄予厚望，研究的热情也与
日俱增。本文对烯烃复分解反应进行了简要的概括，并将其不对称催化方面进行了综述性的总
结。
关键字：烯烃复分解、氮杂环卡宾、不对称催化、Ru金属催化
一、从烯烃复分解反应到金属Ru的氮杂环卡宾配体催化剂
最早记录烯烃复分解反应的文献可以追溯到20世纪50年代中期，Anderson和
Merckling发表了第一篇有关金属催化下的碳－碳重键的切断并重新结合过程的文章[1]，
如反应1。九年后，Banks和Bailey在实验中发现了一种奇特的反应过程，烯烃在这
种反应后会转变为与反应物相似，但碳骨架长度却不同的物质[2]。直到1967年，
Calderon与其同事为这种反应进行了系统的命名，以希腊字母“μεταθεση”
表示改变的位置[3]，从此开辟了一个崭新的领域，而这种反应也被证实是一种非常强大的
有机合成手段。但是，由于这些催化体系通常需要苛刻的反应条件和很强的路易斯酸
性条件，使得反应对底物容许的功能基团有很大的限制，而对于其过程机制也没有
得到一个较权威的解释，使得这方面的研究进展缓慢，也未能得到很好的应用[4,5,6]。
反应1：烯烃复分解反
应
20世纪70年代初期，Chauvin提出了烯烃与金属卡宾通过［2+2］
环加成形成金属杂环丁烷中间体的相互转化过程理论[7]，也导致了20
世纪70年代末、80年代初对于烯烃复分解反应的研究热潮。期间烯
烃复分解反应单组分均相催化剂的发现是较为突出的成果，通过这些
催化剂，取得了比以往的催化体系更容易引发、更高的反应活性和更
温和的反应条件。尽管在催化剂的稳定性以及对于反应底物的适应性方面还有很大
的欠缺，但其更重要的意义在于为之后研究出的新一代、高性能催化剂奠定了基础[8,9]。
图1
1992年美国加州理工学院的RobertGrubbs合成了一种钌（Ru）卡宾配合物（如
图1中，配合物1），并地成功应用于降冰片烯的开环聚台反应[10]。这种催化剂的特
点是：使用了过渡金属钌；配体由两个上下对称的膦、两个前后对称的卤素以及一
个链状烯烃的卡宾组成；该催化剂不但对空气稳定，甚至在水、醇或酸的存在下，
仍然可以保持催化活性。在此基础上，于1996年Grubbs对原催化剂作了改进，该
催化剂不但具有比原催化剂更高的活性和相似的稳定性，而且更容易合成，成为应
用最为广泛的烯烃复分解催化剂[11-14]。并被称为第一代Grubbs催化剂（图2中，配
合物2、3）。
图2
之后通过更多的研究与实验，Grubbs在催化机理上获得了很大的进展，并发现催
化剂的活性与其膦配体的解离有关，认为催化循环过程中经过一个高活性的单膦中
间体。根据这样的想法提出了以比膦配体具有更强给电子能力和更高稳定性的Ｎ-杂
环卡宾配体代替其中一个膦配体从而提高催化活性。而实验证明了这样的想法，新
的催化剂较之前的在催化活性上得到了巨大的飞跃[15-22]。于是产生了第二代Grubbs
催化剂（图2中，配合物4、5）。
由于其在化学合成中的强大能力与广泛的应用前景（如图3为工业催化的烯烃复
分解反应循环过程），这种催化剂被投入了大量的研究热情。化学家们在之前的基础
上提出了大量设想来使其性能获得更大的提高，并付诸实践。烯烃复分解反应的研
究因此而进入了一个黄金时代。
图3
二、不对称催化的意义
如图4中，当分子中存在不对称中心时，分子就存在对映异构体，这种现象称为“分
子手性”。这些对映异构体可能在化学性质上有非常大的差别。而如今的制药产业中，占
一半以上的药物是存在对映异构体的。因此在生产过程中如何将有用构型的产物留下，而
将无用构型的产物除去将会影响到药物使用过程的安全与效用。不对称催化也是在这样的
需求下被提出的，这是一种通过分子之间手性传递来达到使产物中某一对映体数量远大于
其他对映体数量的方法[23]。
图4
三、手性氮杂环卡宾配体的Ru不对称催化剂
在早期的烯烃复分解反应中，催化产物大多都为对映异构体混合物，无立体选择性。
而如果要将烯烃复分解反应作为实际生产工具并引入化工领域，对于对映体的选择性是必
须的。因此，在对催化原理有了一定了解并制得活性较高的催化剂后，研究者们把目光又
放到了如何使产物为单一对映体的方式上。这也成为了在这种反应中对不对称催化的研究。
在被研发出来的手性催化剂中，
主要分为2类，单齿卡宾以及双齿
卡宾。单齿卡宾除了卡宾与金属本
身以共用4个电子配合，并无其它
键合部分；而双齿卡宾除了卡宾本
身与金属配合外，卡宾杂环取代基
上还有一个键与金属配合，就像一
个螯紧紧夹住了金属中心，这种方
式有助于催化剂的稳定性。无论哪
种手性配体都是通过空间位阻的方
式来产生手性中心（如图5）。其中
通过杂环4,5号位取代基与氮上取
代基之间的“齿轮”效应，可以得
到非常好的手性配体。
图5典型手性催化反应，反应物因空间位阻而偏向于一种对映体的产生
单齿手性氮杂环卡宾配体的Ru催化剂
虽然第一个带手性单齿含氮杂环卡宾的Ru催化剂[24]在1999年就已被报道[13]，但第一
次由这种催化剂参与的不对称烯烃复分解反应在2年后才被报道[15]。除了6和7以外，8-11
（如图6）也是被合成并研究过的含手性原子配合物。在这些不对称配合物中，手性中心
将会从咪唑氮杂环上4,5号位转移至氮原子所连接的芳香族基团上，使得氮连接的芳基较
大的邻位取代基团与4,5号位的取代基相对于氮杂环在相反的两个平面上（被称为“齿轮”
效应）。8，9a，10a和11a是在空气中稳定的固体配
合物，并且可以在柱色谱中被纯化，而9b-11b可以
在过量的LiBr或NaI下通过加成反应直接获得。对
于这些手性氮杂环卡宾的晶体结构研究显示，它们
都是由9a经过一种类似双吡啶的协同反应所得到的。
配合物19,20和8-11被认为可以用于非手性三
烯（3-烯丙氧基-2,4-二甲菲-1,4-双烯）的非对映体不
对称合成，以及不对称闭环烯烃复分解反应（ARCM）
[15]。有实验显示在杂环4,5号位形成环己烷结构的
催化剂（19,8,10）与在杂环4,5号位为苯环取代
（20,9,11）相比，立体选择性较弱。将与氮原子所
连接的2，4,6-三甲基苯基（19,20）替换为邻位甲基
苯基（8，9）或邻异丙基苯基（10,11）同样可以提
高对映选择性。最后，将卤素配体中的氯配体改为
碘配体也能体改对映选择性；然而，这样的改变同
时也会减少复分解的产量，这或许是因为有两个碘配体的Ru金属中间体稳定性较低所造
成的。以上这些催化剂的催化选择性方面都对温度以及溶剂非常不敏感。而11c在所有一
系列催化剂中ee值最大。
在以上所描述的配合效果，以及反应研究中所得到的立体结果来看，一个底面（与氮
杂环反式）为烯烃的反应中间体（中间体Ⅰ）是被排除的。而两种侧面（与氮杂环顺式）
的可能中，虽然中间体Ⅱ未被排除[15]，中间体Ⅲ是更被接受的。相反，2004年被发表的
理论的文献却认为是底面为烯烃的这种中间过程，因为另外两种中间态所计算出的能量要
比前者高出很多[25]。
图7
图6
随后的研究中，目标放在了如何提高11的对映选择性方面，以及扩大此种催化剂在非
对称闭环复分解反应中的应用，这使得新的一些手性配合物被合成12-15[26,27]（如图8）。
其中，12和13与11的对映选择性相似,而14则即使在卤素配体为氯时，ee值以及转化率
依然非常高[26]。这样，11c与14a都被使用于烯醚和硅醚前手性三烯的合成，来获得五元
到七元环；并转化率达到98%以上而ee值也提高到了92%（参照反应2）。而温度与溶剂
对反应转化率和ee值的影响也已有所研究。最后，根据烯烃结合路径提议，如果所生成
烯烃的键与氮杂环卡宾顺式，则立体相互作用在钌正面与烯烃键之间。另一方面，如果所
生成烯烃的键与氮杂环卡宾反式，则立体相互作用则在与氮相连芳环之下的亚烷基所在位
置。无论是哪种，烯烃连接的位置都对环生成所需的过渡态有着非常大的影响。
图8
反应2：在14a的催化下产物的ee
值达到了92%
11-15在之后都被证实在手性开环交叉复分解（AROCM）反应中有非常高的活性。13a
则是在11-15之间配位卤素是氯是最具选择性的催化剂，而使用了碘配体的催化剂13b被
证实在ee值上有微小的增加（在降冰片苯乙烯衍生物的AROCM反应中达到82%）[27]。尽
管如此，由于碘配体催化剂的反应活性没有相同氯配体催化剂的高，因此需要将使用量提
高至3mol%才能取得后者1mol%所能达到的反应活性。比起亚甲基钌，亚苯基钌是一种
更好的链增长物，其反式协同过程被认为是AROCM反应的关键步骤。而且，就在这个研
究中，第一例不对称交叉烯烃复分解（ACM）反应被报道[27]，这是一种非常具有挑战性的
不对称烯烃复分解的转化过程。受保护1,4-戊二烯-3-醇、1，5-二烯-3,4-己二醇或1,6-二烯
-3,5-庚二醇与顺-1,4,-双乙酸基-2-丁烯，在这种反应中的ee值为37%到52%。
Collins以及他的同事准备了另外一个种类的手性单齿NHC配体的钌催化剂[28,29]。（如
图9）作为氮杂环卡宾上苯基的取代物，这种配合物引入了一种占有大量空间的1，2-二叔
丁基的结构。而且在16-19中的氮杂环卡宾是不对
称的，一个氮连接着苯基，另一个连接了甲基。在
没有使用卤素配体的情况下，16-19在典型的ARCM
反应中显示出了极高的反应活性以及高ee值。研
究表明16-19中氮杂环卡宾的旋转能垒在这些反应
中对反应活性起着决定性的作用。
在2008年，Buchmeiser、Blechert、和Grisi
小组，报道了配合物20-23（如图10）的合成[30,31]。
20的催化活性并没有得到太大的提高，但因为它
作为一些无膦、协吡啶配合物的前驱物才受到关
注，而这些配合物可被用于交叉共聚反应[30]。
21-23，在饱和氮杂环卡宾上的氮取代基为非芳香
族基团，这被发现可以改善闭环、不对称闭环、
交叉和开环烯烃复分解反应[31]。而在这些基本的
开环和交叉烯烃复分解反应中，21-23的活性介于
第一代和第二代含膦催化剂之间，而这三者之间
22是最具催化活性的。在烯丙基苯和顺-1,4-双乙
酸基-2-丁烯的交叉复分解反应中，21-23提高了
E/Z比率，使得反应更偏向于Z式双键的构成。必
须被指出的是，21在氮杂环卡宾上不存在手性中
心，因此其在ARCM反应中无法给出对映异构体，
而在同一个转化过程中，23提供了适度的对映体
转化率（33%）。这种在反应中的区别，是在杂环
骨架上手性取代物的一个关键的发现与亮点，并
也是在这种催化剂氮取代位上引入手性取代基的
另一个因素。
双齿手性氮杂环卡宾配体的Ru催化剂
Hoveyda与同事发展了一批二齿氮杂环卡宾配合的钌催化剂。这种催化剂带有联苯结
构或部分双萘结构，这种结构同时取代了中心钌原子上的一个氯[31]。这是第一次手性信息
图9
图10
从氮杂环卡宾配体转移到钌原子上的并被认为是烯烃复分解催化剂的报道。配合物24（如
图11），在未拆分的情况下可分离出大于98%的非对映体，对空气与水汽稳定，并且在反
应结束后可以通过柱色谱分离达到96%的回收率。但因为其较低的电负性，以及萘氧配体
所加大的空间位阻，致使24与相似的氯配体父系配合物5相比，活性降低了很多，从而
在相同的转化过程中需要更长的反应时间以及反应温度。尽管如此，24被证实能有效催化
一些AROCM反应，并有较高的对映选择性，参见反应3。
为了通过增加萘结构的电负性来增加24的反应活性，
Hoveyda的研究组发展了具有三氟甲基取代，加入手性氮杂
环卡宾配体的配合物134和29[32]。的确29和29的反应活性
相较于24提高了2个数量级。同时被报道的还有一些类似
异丙氧基亚苯基结构的配合物（25-28和29）显示出了比24
低的引发速率。配合物25-29显示了更高的催化活性，一般
比24需要很少的催化用量，而在一些事例中24无法用于提高非对称反应[32,33]。最近，配
合物30，以碘配位的28类似物也同样被报道[34]。28和30被证实都具有高效的对映选择
性，在低张力的含氧双环烯烃的AROCM反应中可以达到98%的ee值，从而可以得到各种
2,6-双取代的吡喃[35]。30同时也显示出了在这些AROCM反应中比28更强的不对称诱导。
反应3
而这种大量使用双萘结构催化的方法中最大的缺点是，
他们非常耗时的手性辅助定向合成。为了克服这种困难，
Hoveyda与其同事合成了带双苯酚结构的氮杂环卡宾配合
物31和32。31和32中非对称卡宾前驱物的合成路线非
常简单，更值得注目的是，不需要光学纯的轴向手性氨基
醇的使用。虽然31在色谱中不稳定，但它可以当场准备
并用于一系列AROCM反应。相反的，碘配位的33，虽然
活性低于31，但可以在色谱中被纯化来促进一系列的
AROCM反应，在许多情况下都能比双萘结构相似物28和
30提供更高的对映选择性[35-37]。
图11
图12
四、结论与展望
综上，对于手性氮杂环卡宾配位Ru催化剂，在催化活性以及对映选择性等方面的优化，
大多都使用了氮杂环取代基更换和中心金属配体更换这两种手段。并有对称与非对称杂环
卡宾，或单齿与双齿杂环卡宾之分，它们的共同点是在卡宾上都会有手性中心的存在，并
通过这个手性中心来诱导产物往一种对映体的方向反应。而不同点在于所使用的反应类型
以及底物环境有较大的区别，总的来看单齿杂环卡宾的相关研究较为透彻，而双齿的研究
则还仅仅在起步阶段，因此对于它的研究或许会得到更多的收获。
关于如何判断一个催化剂的好坏，大体上可以分为这样几个方面：催化活性即在催化
反应中的反应速率、稳定性（包括对温度、空气、水以及溶剂的稳定性）、产物的ee值（ee
值较高则说明对映选择性较好）、制备成本以及回收率。有些催化剂可能在某些方面并没
有很好的性能，但这并不意味着这种催化剂毫无价值。相反，或许在一些特殊的反应条件
下以及复分解反应中会有独特的作用。
最后，在有机合成反应发展迅速今日，一个实用的合成反应不仅仅是在实验室中可以
帮助合成某些较复杂物质，它更应该适用于大规模的化工生产，帮助化学产业在效率以及
产品质量等方面取得更大的进步。
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