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| 烯烃复分解反应 |
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中文名: 烯烃复分解反应 外文名: Alkene metathesis Olefin metathesis 所属学科: 有机化学 别 名: 烯烃换位反应、烯烃易位反应 应 用: 用于药物合成研发及材料合成领域 反应类别: 有机人名反应 发现时间: 1955年 命名者: N.Calderon |
烯烃复分解反应（alkene metathesis）也称作烯烃换位反应，是指在金属催化下的碳－碳双键的切断并重新结合的过程。按照反应过程中分子骨架的变化，可以分为五种情况：开环复分解、开环复分解聚合、非环二烯复分解聚合、关环复分解以及交叉复分解反应。烯烃复分解反应在高分子材料化学、有机合成化学等方面具有重要意义。根据美国《科学观察》在2001年所列举的化学领域的最热门课题，钌金属络合物催化的烯烃复分解反应成为化学研究领域长期关注的热点。[1]
发展历史
关于金属催化的烯烃分子的切断与重组，可以追溯到20世纪50年代中期。 到了1967年，N.Calderon才首次提出了烯烃复分解反应这一概念。 20世纪70年代以前，烯烃复分解反应所发展的催化剂均为多组分催化剂，如MoO3/ SiO2，Re2O7/Al2O3，WCl6/Bu4Sn等。但是，由于这些催化体系通常需要苛刻的反应条件，使得反应对底物容许的功能基团有很大的限制。 20世纪70年代初期，Chauvin提出的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。在试图合成金属杂环丁烷化合物的过程中，导致了在20世纪70年代末、80年代初的烯烃复分解反应单组分均相催化剂的发现，如钨和钼的卡宾络合物，特别是Schrock催化剂用于催化烯烃的复分解反应，都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，更重要的是单组分催化剂的发现使得人们深入地研究催化剂的构效关系成为可能，为发现新一代的、性能更优秀的催化剂奠定了基础。 20世纪90年代以前的催化剂，以过渡金属（如钛、钨、钼等）卡宾络合物为主，尽管取得了一些成功，但这些催化剂大都对氧和水非常敏感，对含有羰基和羟基的底物也不适用，这样就限制了它们的广泛应用。一个突破性的进展是1992年美国加州理工学院的Robert Grubbs发现了钌卡宾络合物，并成功应用于降冰片烯的开环聚合反应，克服了其他催化剂对功能基团容许范围小的缺点，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。 后来，Grubbs通过系统地对催化剂构效关系进行研究，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，根据这一设计理念，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，于1999年发展了第二代Grubbs催化剂。第二代Grubbs催化剂除了具有第一代催化剂的优点以外，更重要的是其催化活性比第一代催化剂提高了两个数量级。另外，第二代Grubbs催化剂不仅对于高张力的环状烯烃，而且对于低张力的环状烯烃以及空间位阻较大的多取代环状烯烃的开环聚合表现出特殊的高催化活性。在关环复分解反应中，特别适用于空间位阻较大的三、四取代烯烃。利用第二代Grubbs催化剂首次实现了通过交叉复分解反应合成三取代烯烃，并表现出好的立体化学选择性，这些都是第一代Grubbs催化剂所不能达到的。因此，可以预测，第二代Grubbs催化剂将获得更为广泛的应用，特别是应用于一些工业催化过程。 在金属化合物的催化作用下，烯烃里的碳－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。 按照反应过程中分子骨架的变化，主要有五种情况：开环复分解（ROM）、关环复分解（RCM）、开环复分解聚合（ROMP）、非环二烯复分解聚合（ADMET）、以及交叉复分解反应（CM）。
反应特征
这些烯烃复分解反应使得能够得到用其他方法难以得到的分子和聚合物。例如，ROMP使得制备功能聚合体成为可能，而RCM的运用提供一种简便的方法来合成中等和大型的碳环和杂环化合物。 这些反应的实现是主要是利用了L(L‘)X2Ru=CHR催化剂系统（Grubbs催化剂），并且它有充足的官能团忍耐性为多数应用。然而此类催化剂仍然存在一些问题，其中包括：①与一些常见官能团不兼容（如腈和胺）；②交叉复分解反应中形成四取代烯烃存在问题；③在CM和大量的RCM反应中的低立体选择性。
反应机理
烯烃聚合反应是一个平衡反应，产物中含有所有可能组合的烯烃。当起始原料中两个烯烃的八个取代基都各不相同时，产物中可包含十个不同的烯烃，其比例取决于各个烯烃的热力学稳定性。当产物中有一个是易挥发的低沸点气体时，平衡可完全移向右方，使该反应具有制备价值。当两个双键存在于同一个分子中时，即可发生闭环复分解反应（RCM），生成环烯烃（Ts表示对甲苯磺酰基），相反，环烯烃在催化剂存在下与过量的乙烯发生开环复分解反应，生成链状端基二烯。 L2X2Ru=CHR卡宾复合体的晶体结构揭示他们有扭曲四角锥的几何形状，其中亚烷基位于轴向位置，反式膦和卤化物位于赤道平面。 R.H.Grubbs等人进行了关于L2X2Ru=CHR复合体的广泛的动力学研究，并且提出了一种与活性趋势相一致的反应机理，下图为可能的两条反应过程。
意义价值
经过近半个世纪的努力，金属卡宾催化的烯烃复分解反应已经发展成为标准的合成方法，Grubbs催化剂的反应活性以及对反应底物的适用性已经和传统的碳－碳键形成方法（如Diels-Alder反应、Wittig反应，曾分别获得诺贝尔化学奖）相媲美。烯烃复分解反应广泛应用在化学工业等领域，主要用于研发药物和先进聚合物材料。此反应过程简单快捷，生产效率较高，副产品较少，产生的有害废物较少，有利于保护环境，是“绿色化学”的典范。它在化工、食品、医药和生物技术产业方面有着巨大应用潜力。一些科学家用这种方法开发治疗癌症、早老性痴呆症和艾滋病等疾病的新药。 由于Grubbs催化剂的诞生，使得过去许多有机合成化学家束手无策的复杂分子的合成变得轻而易举。烯烃的开环复分解聚合反应已经成功应用于一些特殊功能高分子材料，如亲水性高分子、高分子液晶等的合成。关环复分解反应在许多复杂药物、天然产物以及生理活性化合物合成过程中，表现出了特殊的优越性和高效率，如Grubbs将关环复分解反应应用于环肽化合物以及超分子体系—索烃的高效合成；Nicolaou、Danishefsky等用于抗癌物质Epothilone A 及其类似物的合成，Martin用于抗癌物Manzamine A 的合成，其中在D环和E环的构筑过程中，两次运用关环复分解反应；Furstner 用于具有抗癌活性的Tricolorin A 和G及其类似物的全合成；Schreiber运用已改进了的催化烯烃交叉复分解反应，用于FK 1012的合成等。关环复分解反应在昆虫信息素Peachtwig borer的生产中己有应用，产量大于300千克，E值为0.87，具有较好的原子经济性。 2005年，诺贝尔化学奖颁给了3位在烯烃复分解反应研究方面做出突出贡献的化学家Yves Chauvin、Robert H. Grubbs和Richard R. Schrock。
反应举例
2001年，A.B. Smith等人设计了一种合成环酚类天然产物的有效策略。 烯烃闭环复分解的策略被用于组装 [7,7]-对环芳烃骨架。在研究的过程中，他们发现了一个非常有效的交叉复分解（CM）二聚化过程，从而实现了(-)- cylindrocyclophane A 和 (-)- cylindrocyclophane F 的全合成。他们证明了CM二聚化过程选择性地产生了在结构相关异构体中热力学最稳定的化合物。在三种常用的RCM催化剂中，Schrock的催化剂效率最高。 链霉菌素抗生素是一类从链霉菌属的各种土壤生物中分离出来的化合物。 它们对耐万古霉素的细菌有一定的活性。2000年，A. I. Meyers利用新型烯烃关环复分解反应（RCM）完成的首次完成了具有23元不饱和环的链球菌素抗生素，(-)-griseoviridin及其C8差向异构体的全合成。 这个策略涉及高度非对映选择性的三烯到二烯大环形成，使用 30 mol%的Grubbs催化剂，产率为37-42%，没有产生其它烯烃异构体。 2000年，M.T. Crimmins等人首次完成(+)-prelaureatin的全合成。 他们使用第一代Grubbs催化剂通过烯烃关环复分解反应（RCM）以较高产率构建了天然产物的环氧烯烃母核。