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| 烯烴複分解反應 |
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中文名: 烯烴複分解反應 外文名: Alkene metathesis Olefin metathesis 所屬學科: 有機化學 別 名: 烯烴換位反應、烯烴易位反應 應 用: 用於藥物合成研發及材料合成領域 反應類別: 有機人名反應 發現時間: 1955年 命名者: N.Calderon |
烯烴複分解反應（alkene metathesis）也稱作烯烴換位反應，是指在金屬催化下的碳－碳雙鍵的切斷並重新結合的過程。按照反應過程中分子骨架的變化，可以分為五種情況：開環複分解、開環複分解聚合、非環二烯複分解聚合、關環複分解以及交叉複分解反應。烯烴複分解反應在高分子材料化學、有機合成化學等方面具有重要意義。根據美國《科學觀察》在2001年所列舉的化學領域的最熱門課題，釕金屬絡合物催化的烯烴複分解反應成為化學研究領域長期關注的熱點。[1]
發展歷史
關於金屬催化的烯烴分子的切斷與重組，可以追溯到20世紀50年代中期。 到了1967年，N.Calderon才首次提出了烯烴複分解反應這一概念。 20世紀70年代以前，烯烴複分解反應所發展的催化劑均為多組分催化劑，如MoO3/ SiO2，Re2O7/Al2O3，WCl6/Bu4Sn等。但是，由於這些催化體系通常需要苛刻的反應條件，使得反應對底物容許的功能基團有很大的限制。 20世紀70年代初期，Chauvin提出的烯烴與金屬卡賓通過[2+2]環加成形成金屬雜環丁烷中間體的相互轉化過程。在試圖合成金屬雜環丁烷化合物的過程中，導致了在20世紀70年代末、80年代初的烯烴複分解反應單組分均相催化劑的發現，如鎢和鉬的卡賓絡合物，特別是Schrock催化劑用於催化烯烴的複分解反應，都取得了比以往的催化體系更容易引發、更高的反應活性和更溫和的反應條件，更重要的是單組分催化劑的發現使得人們深入地研究催化劑的構效關係成為可能，為發現新一代的、性能更優秀的催化劑奠定了基礎。 20世紀90年代以前的催化劑，以過渡金屬（如鈦、鎢、鉬等）卡賓絡合物為主，儘管取得了一些成功，但這些催化劑大都對氧和水非常敏感，對含有羰基和羥基的底物也不適用，這樣就限制了它們的廣泛應用。一個突破性的進展是1992年美國加州理工學院的Robert Grubbs發現了釕卡賓絡合物，並成功應用於降冰片烯的開環聚合反應，克服了其他催化劑對功能基團容許範圍小的缺點，該催化劑不但對空氣穩定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性。在此基礎上，於1996年Grubbs對原催化劑作了改進，該催化劑不但具有比原催化劑更高的活性和相似的穩定性，而且更容易合成，成為應用最為廣泛的烯烴複分解催化劑。 後來，Grubbs通過系統地對催化劑構效關係進行研究，發現催化劑的活性與其膦配體的解離有關，認為催化循環過程中經過一個高活性的單膦中間體，根據這一設計理念，提出了以比膦配體具有更強給電子能力和更高穩定性的N-雜環卡賓配體代替其中一個膦配體，於1999年發展了第二代Grubbs催化劑。第二代Grubbs催化劑除了具有第一代催化劑的優點以外，更重要的是其催化活性比第一代催化劑提高了兩個數量級。另外，第二代Grubbs催化劑不僅對於高張力的環狀烯烴，而且對於低張力的環狀烯烴以及空間位阻較大的多取代環狀烯烴的開環聚合表現出特殊的高催化活性。在關環複分解反應中，特別適用於空間位阻較大的三、四取代烯烴。利用第二代Grubbs催化劑首次實現了通過交叉複分解反應合成三取代烯烴，並表現出好的立體化學選擇性，這些都是第一代Grubbs催化劑所不能達到的。因此，可以預測，第二代Grubbs催化劑將獲得更為廣泛的應用，特別是應用於一些工業催化過程。 在金屬化合物的催化作用下，烯烴里的碳－碳雙鍵會被拆散、重組，形成新分子，這種過程被命名為烯烴複分解反應。 按照反應過程中分子骨架的變化，主要有五種情況：開環複分解（ROM）、關環複分解（RCM）、開環複分解聚合（ROMP）、非環二烯複分解聚合（ADMET）、以及交叉複分解反應（CM）。
反應特徵
這些烯烴複分解反應使得能夠得到用其他方法難以得到的分子和聚合物。例如，ROMP使得製備功能聚合體成為可能，而RCM的運用提供一種簡便的方法來合成中等和大型的碳環和雜環化合物。 這些反應的實現是主要是利用了L(L『)X2Ru=CHR催化劑系統（Grubbs催化劑），並且它有充足的官能團忍耐性為多數應用。然而此類催化劑仍然存在一些問題，其中包括：①與一些常見官能團不兼容（如腈和胺）；②交叉複分解反應中形成四取代烯烴存在問題；③在CM和大量的RCM反應中的低立體選擇性。
反應機理
烯烴聚合反應是一個平衡反應，產物中含有所有可能組合的烯烴。當起始原料中兩個烯烴的八個取代基都各不相同時，產物中可包含十個不同的烯烴，其比例取決於各個烯烴的熱力學穩定性。當產物中有一個是易揮發的低沸點氣體時，平衡可完全移向右方，使該反應具有製備價值。當兩個雙鍵存在於同一個分子中時，即可發生閉環複分解反應（RCM），生成環烯烴（Ts表示對甲苯磺酰基），相反，環烯烴在催化劑存在下與過量的乙烯發生開環複分解反應，生成鏈狀端基二烯。 L2X2Ru=CHR卡賓複合體的晶體結構揭示他們有扭曲四角錐的幾何形狀，其中亞烷基位於軸向位置，反式膦和鹵化物位於赤道平面。 R.H.Grubbs等人進行了關於L2X2Ru=CHR複合體的廣泛的動力學研究，並且提出了一種與活性趨勢相一致的反應機理，下圖為可能的兩條反應過程。
意義價值
經過近半個世紀的努力，金屬卡賓催化的烯烴複分解反應已經發展成為標準的合成方法，Grubbs催化劑的反應活性以及對反應底物的適用性已經和傳統的碳－碳鍵形成方法（如Diels-Alder反應、Wittig反應，曾分別獲得諾貝爾化學獎）相媲美。烯烴複分解反應廣泛應用在化學工業等領域，主要用於研發藥物和先進聚合物材料。此反應過程簡單快捷，生產效率較高，副產品較少，產生的有害廢物較少，有利於保護環境，是「綠色化學」的典範。它在化工、食品、醫藥和生物技術產業方面有着巨大應用潛力。一些科學家用這種方法開發治療癌症、早老性痴呆症和艾滋病等疾病的新藥。 由於Grubbs催化劑的誕生，使得過去許多有機合成化學家束手無策的複雜分子的合成變得輕而易舉。烯烴的開環複分解聚合反應已經成功應用於一些特殊功能高分子材料，如親水性高分子、高分子液晶等的合成。關環複分解反應在許多複雜藥物、天然產物以及生理活性化合物合成過程中，表現出了特殊的優越性和高效率，如Grubbs將關環複分解反應應用於環肽化合物以及超分子體系—索烴的高效合成；Nicolaou、Danishefsky等用於抗癌物質Epothilone A 及其類似物的合成，Martin用於抗癌物Manzamine A 的合成，其中在D環和E環的構築過程中，兩次運用關環複分解反應；Furstner 用於具有抗癌活性的Tricolorin A 和G及其類似物的全合成；Schreiber運用已改進了的催化烯烴交叉複分解反應，用於FK 1012的合成等。關環複分解反應在昆蟲信息素Peachtwig borer的生產中己有應用，產量大於300千克，E值為0.87，具有較好的原子經濟性。 2005年，諾貝爾化學獎頒給了3位在烯烴複分解反應研究方面做出突出貢獻的化學家Yves Chauvin、Robert H. Grubbs和Richard R. Schrock。
反應舉例
2001年，A.B. Smith等人設計了一種合成環酚類天然產物的有效策略。 烯烴閉環複分解的策略被用於組裝 [7,7]-對環芳烴骨架。在研究的過程中，他們發現了一個非常有效的交叉複分解（CM）二聚化過程，從而實現了(-)- cylindrocyclophane A 和 (-)- cylindrocyclophane F 的全合成。他們證明了CM二聚化過程選擇性地產生了在結構相關異構體中熱力學最穩定的化合物。在三種常用的RCM催化劑中，Schrock的催化劑效率最高。 鏈黴菌素抗生素是一類從鏈黴菌屬的各種土壤生物中分離出來的化合物。 它們對耐萬古黴素的細菌有一定的活性。2000年，A. I. Meyers利用新型烯烴關環複分解反應（RCM）完成的首次完成了具有23元不飽和環的鏈球菌素抗生素，(-)-griseoviridin及其C8差向異構體的全合成。 這個策略涉及高度非對映選擇性的三烯到二烯大環形成，使用 30 mol%的Grubbs催化劑，產率為37-42%，沒有產生其它烯烴異構體。 2000年，M.T. Crimmins等人首次完成(+)-prelaureatin的全合成。 他們使用第一代Grubbs催化劑通過烯烴關環複分解反應（RCM）以較高產率構建了天然產物的環氧烯烴母核。