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• 随着“绿色化学”^[1]概念日渐深入人心，在化学反应过程中寻求具有高的原子经济性、高E因子且廉价的金属催化剂愈显重要。氮杂环卡宾(NHC)金属配合物因具有可改变的空间构型^[2]、强供电子能力^[3]、诱导手性^[4]、通过螯合效应提供稳定性^[5]或增加溶解性^[6]等诸多优良的性能，在催化领域被广泛研究与应用。咪唑类化合物具有独特的结构优势，双氮原子可以搭载含不同杂原子的基团来改变配体的物化性质，近年来对于咪唑类螯合与非螯合配体的设计种类繁多，大都以含S、P、N、O等杂原子取代基与过渡金属进行螯合。

  本文着眼于配体与金属的螯合作用，分别从单齿螯合、双齿螯合和三齿螯合等方面对近几十年来一些引人瞩目的咪唑类NHC金属配合物的合成及应用研究加以综述。

  1   单齿螯合型金属配合物

  早在1999年，Herrmann等^[7]首次合成了NHC配位的[PdI₃(^tBuC(H)-η¹-C^meth)]催化剂(1)。随后在2006年，Huynh等^[8]报道了[PdBr₂(ⁱPr₂-bimy)]₂(2)的合成方法，并将该钯催化剂应用到对溴苯甲醛与苯硼酸的Suzuki-Miyaura偶联反应中。在该体系中，仅加入0.5 (mol)%的催化剂，常温下以水作溶剂，偶联产率可高达100%。Heckenroth等^[9]与Zamora等^[10]也分别报道了相似的钯催化剂3和4，但并没有进一步做反应催化研究。O′Brien等^[11]将氮杂环咪唑盐、PdCl₂和K₂CO₃在纯3-氯吡啶中反应，合成了一系列NHC钯螯合物5、6和7。将它们用于催化Suzuki-Miyaura偶联反应中，随着底物的加入，吡啶配体迅速解离使催化剂活化，进而催化反应顺利进行。配合物5在催化Suzuki偶联与Negishi偶联反应时具有很高的活性，原因可能是反应中吡啶配体快速离去裸露出Pd中心，而且5中的配体具有强的供电子能力。

  2011年，Shen等^[12]合成了一系列含氮取代吡咯基团的钯(Ⅱ)-NHC配合物，并发现吡咯骨架的N原子上的取代基显著影响钯配合物的配位模式，当取代基为供电子基时，与钯配位形成双齿螯合物，而取代基为吸电子基时，则形成二聚的单齿螯合物。其中，配合物8可在室温、水作溶剂条件下催化苯甲酸酐与芳基硼酸的偶联反应。2015年，Guest等^[13]在常温下将(SIPr)PdCl₂(TEA)和四丁基氯化铵(TBAC)在丙酮中反应得到配合物9(式(2))。其作为预催化剂参与到经典的Mizoroki-Heck反应中时，芳基氯代物或芳基溴代物与苯乙烯反应均能够得到高于90%的产率。通过密度泛函理论(DFT)计算得到了可能的反应机理：先是催化剂活化，再经过氧化加成、迁移插入、β氢消除和还原消除四步完成催化循环，这一研究使我们能够进一步理解Heck偶联反应的过程，并为新型催化剂的设计提供了理论支持。

  笔者课题组^[14]合成了一系列NHC前躯体(式(3))。在合成过渡金属配合物时，两分子的配体与金属配位，形成双卡宾金属配合物。例如，与氯化镍形成双卡宾镍配合物，与银则形成二聚型双金属双卡宾配合物。其中，配合物10在DMF作溶剂、常温条件下催化苯乙炔与二氧化碳合成苯丙炔酸，仅需要16h，就可达到85%的分离产率。可能的反应机理为：端炔A首先与Ag-NHC配位使其酸性增强；然后，MCO₃-(M＝Cs或K)配位到与银中心形成MCO₃^-连接的中间体，这一中间体对于促进端炔的去质子化至关重要；最后，端炔去质子化释放MHCO₃，并形成中间体银(Ⅰ)乙炔化物，然后，CO₂插入到SP杂化的C-Ag键形成银(Ⅰ)丙炔酸中间体C；最后，C与另一分子的端炔反应再生银(Ⅰ)乙炔化物B，同时释放目标产物D(式(4))。

  2   双齿螯合型金属配合物

  NHC除了单独作为配体使用，也常常在氮原子上连接含杂原子(S、P、N、O)基团作为螯合配体使用。杨亮茹等^[5]已经对这方面的工作做了很详细的综述。其中NHC⌒P、NHC⌒N螯合型金属化合物被广泛应用于Heck反应、Suzuki偶联、芳基的炔基化等碳-碳成键反应。2009年，Lee等^[15]在NaOAc作为碱条件下，用N-取代咪唑鎓盐与PdCl₂反应合成了一系列新型的钯螯合物11a~11e(式(5))。所得钯配合物在空气和溶液中都很稳定，用于催化对芳基溴化物与苯硼酸的Suzuki偶联反应时，仅需0.5(mol)%的催化剂就可催化反应顺利进行。

  2010年，Braunstein等^{[16, 17]}等首先合成新型含S的NHC化合物，再和氧化银反应得到银卡宾化合物，经过金属转移反应合成一系列钯螯合物12a~12e(式(6))。进一步研究表明，所合成的化合物能够高效地催化苯硼酸与芳基溴化物的Suzuki偶联反应。含S-NHC化合物的合成，进一步丰富了具有供电子能力配体的种类。

  Cheng等^[18]先利用氧化银法合成银化合物，再经转金属化得到含吡唑基的螯合型钯-NHC配合物13a、13b(式(7))。由于电子效应与空间结构的优势，此类配合物在空气和水中有很好的稳定性与催化性能，能够高效地催化苯硼酸与芳基溴化物的Suzuki-Miyaura偶联反应和苯乙烯与芳基溴化物的Mizoroki-Heck偶联反应。二者对苯硼酸与芳基溴化物的偶联反应催化活性相当，但在大多数的Mizoroki-Heck偶联反应中，吡唑环上的甲基取代基使化合物13b的催化活性降低。

  3   三齿螯合型金属配合物

  随着对螯合型配合物的研究不断深入，人们利用“拓扑法”设计出了一系列三齿螯合配体，已报道的配体类型包括PCP^{[20, 21]}、NCN、NNC^[23]、CNC^[22]、OCO^{[19, 24]}等，都具有很好的催化效果与应用前景。

  2003年，Aihara等^[19]用双芳基含氧功能化NHC配体与TiCl₄(THF)₂反应，合成了OCO螯合型NHC钛配合物14(式(8))。他们同时发现，这类配体可以稳定前过渡金属钛的NHC配合物，这对金属配合物的合成提供了新的思路。

  2005年，Gischig等^[20]合成了一系列含二茂铁基团的PCP三齿型钯螯合物15和16(式(9))。其中，[Pd(NCCH₃)(3, 5-MePCP)](PF₆)₂具有较高的反应活性，在催化氰基烯烃的不对称氢氨化反应(式(10))时，常温下反应产率能够达到99%，ee值61%。但与Ni(Pigiphos)催化剂相比，除了催化剂的新颖性，配体在反应中并没有表现出显著的优势。

  2009年，Steinke等^[21]利用二取代的NHC前体与(Ni(COD)₂、Pd(PPh₃)₄和Pt(PPh₃)₄在THF溶剂中通过配体交换分别合成了PCP三齿型金属配合物17a、17b和17c。通过X-射线晶体衍射研究发现，所有的d8金属配合物的平面结构都发生了扭曲。Inamoto等^[22]合成了一系列双卡宾参与的CNC三齿型镍配合物18a、18b、19a、19b，可高效催化溴代或氯代芳烃与芳基硼酸的Suzuki-Miyaura偶联反应，并且催化烯基硼酸参与的反应也有较高的收率(式(11))。Chen等^[23]在咪唑上连接1, 10-菲咯啉基团，通过氧化银法分别合成了三齿型钯配合物20a与镍配合物20b(式(12))。研究表明，20a可在室温、蒸馏水作溶剂、无铜参与下高效催化Sonogashira偶联反应；镍配合物20b在Kumada偶联反应中具有高的反应活性。

  2015年，Despagnet-Ayoub等^[24]以苯胺或四氢呋喃作为辅助配体，合成了OCO型的锆NHC螯合物21(式(13))。在金属与氨气进行配位时，苄基迁移到NHC上，第二个氨气通过配体消去一分子甲苯，并最终形成二聚体。苄基的迁移过程对于理解N-H键的活化机理具有重要的意义。

  4   多齿螯合型的金属配合物

  近年来，咪唑类卡宾金属配合物被不断报道出来，其中，含杂原子基团参与螯合的新型配体在Suzuki-Miyaura偶联、Sonogashira偶联、Mizoroki-Heck偶联等反应中表现出很高的催化活性。随着研究的不断深入，多齿螯合型催化剂也被设计合成出来。2002年，Williams等^[25]合成了含双吡啶双咪唑卡宾的配体，并与溴化镍反应生成多齿螯合物22(式(14))。通过对配体进行H/D交换实验发现，在100℃的D₂O中咪唑上H2被交换下来，当加入NaOH时，H4、H5也被交换下来，但他们未对催化剂做进一步研究。随后，Lee等^[26]通过两步反应合成了NCCN型螯合配体前体，与M(OAc)₂配位后经AgPF₆阴离子交换得到四齿型钯催化剂23a和镍催化剂23b。

  除此之外，也可以通过双螯合配体2+2法组合形成多齿配体，一些具有双齿的含不饱和键(例如环辛二烯)的化合物可与NHC配合使用。2006年，Messerle等^[27]将咪唑盐通过乙醇钠拔氢生成自由卡宾，然后与铑催化剂进行配体交换，制备了含有吡唑基团的NHC铑螯合物24a和24b(式(15))。在催化苯乙烯加氢反应中，由于催化剂中配体的空间屏蔽效应，在温和条件下，反应就能达到较高产率。

  2013年，Pfaltz等^[28]在强碱叔丁醇锂作用下使咪唑原位生成自由卡宾，再经过配体交换合成了侧链含吡啶基的手性螯合型NHC铱配合物25a、25b和25c(式(16))。与传统的二苯基膦配体相比，含有C＝C键的配位基团能够提高氢化反应的底物普适性，其在不对称催化氢化反应中表现出很高的催化活性和对映选择性，尤其适用于对酸性敏感底物的催化氢化。

  2014年，Shi等^[29]在合成铑催化剂时发现，当增加螯合配体的空间位阻时，氢交换产物的对映选择性将变差。基于此，以(R)-2-胺基-2′-(二苯基膦)-1, 1′-联萘为原料合成了手性配体，并在叔丁醇锂的作用下与[Ir(cod)Cl]₂和[Rh(cod)Cl]₂反应，最后再经过与AgBF₄的阴离子交换得到螯合型手性NHC铑配合物26a、26b和26c(式(17))。将其应用于催化Heck反应，取得了中等的产率。

  5   结语

  本文总结了螯合型功能化NHC过渡金属配合物的合成方法及其在催化偶联反应中的应用。以咪唑环为基元，连接含不同杂原子的配位基团后可与咪唑卡宾形成NNC、CCC、CNC、OCO、NNCC、NCNC等螯合型金属催化剂，随着齿型的增加，进一步稳定催化剂的物化性质，能够高活性、高选择性、高产率地催化碳-碳成键偶联反应以及氢化反应。

  对于该领域的研究还需要持续与深入，NHC过渡金属化合物的合成与应用仍然面临着诸多挑战：(1) 提高金属配合物水溶性与稳定性，使其能够在绿色溶剂中高效催化；(2) 合成含强供电子体的配体的卡宾金属化合物，提高催化剂的活性，使催化剂用量降至痕量级；(3) 设计更加新颖与高效的配体，搭载廉价过渡金属合成新型配合物。

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