手性氮杂环卡宾催化偶氮甲亚胺与α-氯代醛的[3+2]环加成反应(2)

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1. 氮杂环卡宾的研究

1.1 氮杂环卡宾在有机催化中的研究进展

氮杂环卡宾最早的研究要追溯到19世纪。1832年，Wohler和Liebig首先发现氰根负离子(CN-)可以催化苯甲醛的安息香缩合反应。1903年，Lapworth对其催化机理做了详细的研究，认为一分子的苯甲醛在氰根负离子的催化下，羰基碳原子由传统的正电性转变为负电性(即醛基的反应极性发生了翻转)，进而对另一分子苯甲醛进行亲核加成，最终得到产物安息香。1943 年，Ukai等发现在生物体内以辅酶形式催化了很多重要生物化学反应的维生素B1。由于氮杂环卡宾与氰根负离子类似，也可以催化苯甲醛的安息香缩合反应，而且该反应操作简单、污染小、对人体无毒害，因此可成为氰化物的最佳替代试剂。随后，化学家对氮杂环卡宾催化该反应的机理进行了深入的研究和激烈的讨论。直到1958年，Breslow在Lapworth 和Mizuhara 工作的基础上，对氮杂环卡宾催化的安息香缩合反应做了详细的研究并提出了明确的机理，自此以后，具有亲核性的氮杂环卡宾(NHC)作为一类新型的仿生有机催化剂引起了化学家的广泛关注，迄今为止，NHC的研究已经取得很大的进展。

我们所发现的经典的氮杂环卡宾共有如下四类（图1）：

卡宾的分类

由于结构不同，这几类卡宾的稳定性和反应活性均存在较大的差别。比如某一卡宾适合催化某一反应而另外的某一卡宾却适应催化另一反应。这几类卡宾的不同点主要来源于各自生成它们的前体盐的C上的氢原子酸性不同。例如：三唑盐在DMSO中的pKa值为16，而咪唑盐为20-24，因此，三唑盐的酸性较咪唑盐要强一些。

1.2 氮杂环卡宾的结构

氮杂环卡宾一般以单线态形式存在，卡宾C原子均为sp²杂化形式，其周围只有6个电子，卡宾C原子上的一对电子处在σ轨道上，与卡宾C相连的N原子上的P电子可以和卡宾C原子的空P轨道形成三中心四电子的共轭体系，有利于卡宾Ｃ原子给出σ 轨道上的孤对电子。但是N杂环卡宾却是一个比较稳定的缺电子体系，主要是由于氮杂环卡宾结构中电负性较大的N原子直接与卡宾C原子相连，由于N原子的吸电子作用能够使卡宾C原子上的孤对电子趋于稳定，同时，C=C双键参与的共轭作用，也为氮杂环卡宾结构体系的稳定做出了贡献卡宾的结构

1.3 氮杂环卡宾的合成方法

氮杂环卡宾早期的合成方法，主要是在碱性条件下通过咪唑盐去质子的方法得到（图3a），这种方法的优点是咪唑价廉易得且性质稳定，可以在温和的条件下进行，然而，从体系中分离出氮杂环卡宾比较困难，所以，后来人们发现了其它的合成方法，如：环硫脲去硫法、高温分解脱CO2或五氟苯基等小分子法以及利用咪唑盐脱卤素等（图3）。

卡宾的合成方法

2. 氮杂环卡宾催化α,β-饱和醛的反应

氮杂环卡宾的特殊性质使得它能够催化好多种有机反应，卡宾催化α,β-不饱和醛的反应是非常重要的反应，引起化学家的广泛关注，多篇研究成果陆续发表。

2.1 氮-杂环卡宾催化α,β-饱和醛的机理

氮杂环卡宾作为催化剂催化该反应时，首先α,β-不饱和醛与氮杂环卡宾生成Broslow中间体，由于卡宾中氮原子的孤对电子作用，该中间体发生异构化，生成亲核性更强的两种异构体（enolate中间体和homoenolate中间体）（图4 a），因此α,β-不饱和醛中β位上的碳原子由亲电性变为亲核性，该位上碳原子可参与各种反应生成多官能团化合物。另一方面，氮杂环卡宾对不饱和醛反应发生极性翻转得到高烯丙醇阴离子中间体，高烯丙醇阴离子可分别与醛、亚胺等反应分别得到γ-内酯、γ-内酰胺等产物(图4 b)，该这个中间体还可发生分子内质子转移形成烯醇中间体，这时它可以作为一个略富电子的亲双烯体与略贫电子的双烯体α,α-二取代不饱和烯酮反应高区域选择性，高对映选择性的到相应产物