烯烃分解反应(英语:Olefin metathesis)涉及金属催化剂存在下烯烃双键的重组,[1]自发现以来便在医药和聚合物工业中有了广泛应用。相对于其他反应,该反应副产物及废物排放少,更加环保。
2005年的诺贝尔化学奖颁给了化学家伊夫·肖万、罗伯特·格拉布和理查德·施罗克,以表彰他们在烯烃复分解反应研究和应用方面所做出的卓越贡献。[2]
烯烃复分解反应由含镍、钨、钌和钼的过渡金属卡宾配合物催化,反应中烯烃双键断裂重组生成新的烯烃,通式如下:
反应机理
根据伍德沃德-霍夫曼规则,环加成反应是对称禁阻的,活化能很高。20世纪70年代时,Hérison
广泛接受的反应机制。[5]其中,首先发生烯烃双键与金属卡宾配合物的[2+2]环加成反应,生成金属杂环丁烷衍生物中间体。然后该中间体经由逆环加成反应,既可得到反应物,也可得到新的烯烃和卡宾配合物。新的金属卡宾再与另一个烯烃发生类似的反应,最后生成另一个新的烯烃,并再生原金属卡宾。
固特异轮胎金属催化剂d轨道与烯烃的相互作用降低了活化能,使烯烃复分解反应在适宜温度下就可发生,摆脱了以前多催化组分以及强路易斯酸性的反应条件。
复分解反应
复分解反应又可分为以下几种重要类型:
∙交叉复分解反应
∙关环复分解反应
∙烯炔复分解反应
∙开环复分解反应
∙开环复分解聚合反应
∙非环二烯复分解反应
∙炔烃复分解反应
∙烷烃复分解反应
∙烯烃复分解反应
与大多数有机金属反应类似的是,复分解反应生成热力学控制的产物。也就是说,最终的产物比例由产物能量高低决定,符合玻尔兹曼分布。 复分解反应的驱动力往往不相同:
∙ 烯烃复分解反应和炔烃复分解反应—乙烯/乙炔的生成增加了反应熵,推动了反应发生;
∙ 烯炔复分解反应—没有以上条件,在热力学上是不利的,除非还伴随有特定的开环或关环反应;
∙ 开环复分解反应—原料常为有张力的烯烃如降冰片烯,环的打开消除了张力,推动了反应发生;
关环复分解反应—生成了能量上有利的五六元环,反应中通常有乙烯生成。用关环反应合成大环化合物时,反应常常在极稀的溶液中进行,并且利用偕二甲基效应加快反应速率和选择性。
烯烃发生臭氧化反应生成两个酮,再以维蒂希反应成烯的过程与烯烃复分解反应是等同的,且有些已被后者所代替。 应用
下述反应由Hoveyda-Grubbs 催化剂催化,利用了开环的交叉烯烃复分解反应:[6]
构建Epothilone 分子中的大环时,采用的是烯烃复分解反应,产率很高,但双键没有选择性,生成的是E/Z 等量异构体的混合物:[7]
Fluvirucin-B 1-Aglycone 的大环合成也利用了烯烃复分解反应。但用(PCy 3)2Cl 2Ru=CHCH=CPh 2催化时收率少于2%,只有使用钼催化剂才能以98%的产率合成关环产物,双键为Z 构型:
WCl
4(OAr)
2
催化剂存在下,1-己烯发生烯烃复分解反应,得到5-癸烯[9]及进一步复分解所
生成的副产物。
[编辑]历史
烯烃复分解反应的历史可以追溯到20世纪50年代,起源于高分子化学研究。当时卡尔·齐格勒在对齐格勒-纳塔催化剂的研究中发现,一些金属催化剂存在下,乙烯“聚合”生成的产物为1-丁烯,而非应当得到的饱和碳氢长链。[10]
1960年,杜邦公司开始使用四庚基铝锂和四氯化钛为催化剂,研究降冰片烯聚合为聚降冰片烯的反应。[11]
不久后将该反应归为配位聚合反应。反应机理中,RTiX中间体先与烯烃的双键配位,生成π配合物。然后SNi协同反应使CC键断裂,生成含亚烷基-钛键的中间体,继续与第二个单体反应:
1964年,居里奥·纳塔在以钨和钼卤化物作催化剂研究环戊烯的聚合反应时,也观测到了不饱和聚合物的生成。[12]
同一年,菲利浦石油公司的研究者[13]发现,当以含有六羰基钼、六羰基钨和三氧化钼与氧化铝的混合物作催化剂时,烯烃会发生“歧化反应”,如丙烯会生成等量的乙烯和2-丁烯。他们为反应提出的机理涉及环丁烷-金属配合物的生成,具体如下:
根据两年之前诞生的伍德沃德-霍夫曼规则判断,该反应是对称性禁阻的。并且复分解反应中也从未观测到任何环丁烷衍生物的生成。因此,该机理很快便被否定了。
1967年,固特异轮胎与橡胶公司的研究人员研制出一种新颖的催化剂,由六氯化钨、乙醇和有机铝化合物EtAlMe
2
等组分组成,可以催化2-戊烯的复分解反应。此外,研究人员首次将该反应称为“烯烃复分解反应”。[14]
该反应中,2-戊烯很快便与2-丁烯与3-己烯形成平衡,双键并没有发生移位。而且也可以用丁烯和己烯作为原料,加入甲醇便会使反应终止。
这些研究人员还使2-丁烯与全氘代的2-丁烯反应,得到了C
4H
4
D
4
,氘原子平均分配在四个碳
原子上。[15]因此,他们提出,“烯烃复分解反应”为复分解机理,而非烷基交换:
1971年,伊夫·肖万首先提出了烯烃复分解反应的金属杂四元环中间体机理,很好地解释了一些复分解反应得到统计学分布产物的现象。[16]该机理也是烯烃复分解反应目前最广泛认同的机理。
反应中涉及的金属卡宾配合物由恩斯特·奥托·菲舍尔在1964年首先制备出来。[17]
肖万机理背后的实验证据为,四氯氧化钨和四丁基锡的均相混合物催化下,环戊烯与2-戊烯的反应:
反应的三个主要产物C9、C10和C11比例为1:2:1。用更高级的低聚体反应也得到这个比例。肖万认为,卡宾由碳-金属单键的alpha-氢消除生成,例如在2-丁烯(C4)与六氯化钨和四甲基锡(C1)反应时,产物为丙烯(C3)。
同年,成功合成环丁二烯的Pettit独自提出另一套理论,[18]认为反应经由含四亚甲基的中间体,并且sp3杂化的碳原子与中心的金属原子通过多个三中心两电子键相连:
Pettit为该机理提出的实验证据是,一氧化碳可以抑制含钨金属羰基配合物催化的4-壬烯的复分解反应。[19]
1972年起,罗伯特·格拉布开始了对复分解反应的研究。他所在的研究组使1,4-二锂代丁烷与六氯化钨反应,试图制取一个金属杂环中间体,但得到的产物与烯烃复分解反应的产物相同。因此,他也提出了金属杂环中间体的机理,只是中间体环为金属杂五元环,[20]反应为两分子反应物加到金属原子上: