1卡賓的結構類型與性質(zhì)

卡賓可以看作是由同一個碳原子相連的兩個基團發(fā)生α-消除反應得到，這也是制備卡賓的一種方法，其他制備卡賓的方法還包括：1）重氮化合物的分解反應，前體化合物有腙類、對甲苯磺酰腙類以及N-亞硝基-N-烷基脲類化合物；2）烯酮的分解反應；3）偶氮化合物的分解反應。根據(jù)卡賓碳原子與所連基團的成鍵類型，卡賓可分為烷基卡賓和烯基卡賓兩類。

烷基卡賓中的兩個未成鍵電子以兩種不同的狀態(tài)存在：一種是兩個電子占據(jù)同一個軌道，自旋方向反平行，總自旋值為零，稱為單線態(tài)（singlet）卡賓，其碳原子為sp²雜化，未成鍵電子占據(jù)sp²軌道，p軌道為空軌道；另一種是兩個電子分別占據(jù)兩個軌道，自旋方向平行，總自旋值為三，稱為三線態(tài)（triplet）卡賓，其碳原子為sp雜化，兩個電子分別占據(jù)兩個p軌道。單線態(tài)卡賓因具有未共用電子對而顯示出負碳離子的親核性，同時又因有空p軌道而顯示出碳正離子的親電性；三線態(tài)卡賓由于每一個p軌道只有一個電子，因此可以看成是一個雙自由基。三線態(tài)電子之間的排斥力作用比單線態(tài)小，故能量較低，一般來說三線態(tài)比單線態(tài)卡賓更穩(wěn)定。

烯基卡賓同樣存在單線態(tài)和三線態(tài)兩種形式，但這兩種卡賓碳原子均為sp雜化，未成鍵電子軌道填充形式與相應的烷基卡賓類似。此外，對于烯基卡賓而言，單線態(tài)比三線態(tài)的能量低48 kcal/mol，因此更穩(wěn)定。本文以下內(nèi)容主要是圍繞烷基卡賓展開的，烯基卡賓的相關綜述見文末參考資料。

有機反應中，卡賓以游離的形式參與的反應并不多見，常見的情況是反應過程中并未產(chǎn)生游離的活性卡賓中間體，但在參與反應時具有類似卡賓的作用，通常與其他原子結合形成卡賓金屬復合物，這類活性中間體稱為類卡賓（Carbenoid），一個典型的例子是鋅/銅參與的Simmons-Smith環(huán)丙基化反應。類卡賓的性質(zhì)由以下三方面因素決定：1）取代基R₁、R₂的性質(zhì)；2）配位金屬M的種類及價態(tài)；3）配體L的性質(zhì)，它們決定了類卡賓的反應類型及活性。

基于取代基的性質(zhì)（吸電子的π受體或給電子的π供體），類卡賓可分為如下圖所示的五類。早期的研究主要集中于前三類，由于含有吸電子基團，它們具有較高的親電性，在分子內(nèi)的C-H插入反應中具有廣泛的應用，但是因為反應活性較高，其分子間的反應選擇性（包括化學選擇性和區(qū)域選擇性）比較差。近年來對后兩種卡賓金屬復合物的研究取得了一定的進展，由于引入了給電子基團，可以有效穩(wěn)定金屬復合物，因而大大提高了在分子間反應中的選擇性。

當卡賓碳原子連接兩個給電子基團時，可以有效緩解卡賓缺電子的性質(zhì)從而起到穩(wěn)定卡賓的作用，這類卡賓往往可以游離的形式參與反應，其基態(tài)為單線態(tài)。更多情況下卡賓通過與配位金屬和配體形成卡賓金屬復合物參與反應。

元素周期表中，過渡金屬（d區(qū)和ds區(qū)元素）含有d軌道電子并且存在多種價態(tài)，因而可以起到穩(wěn)定卡賓的作用。而卡賓的分子軌道形狀使其可以作為σ供體和π受體與過渡金屬相互作用，生成的復合物的化學性質(zhì)與配位金屬的電性相關——接受來自卡賓σ電子的能力和給出反饋π電子至卡賓p軌道的能力。

基于配位金屬的性質(zhì)，類卡賓可分為如下表所示的四類：第一類可以形成很強的碳-金屬σ鍵，而且配位金屬是較好的π電子反饋供體，可以與卡賓碳原子空的p軌道形成反饋π鍵，使得卡賓碳原子具有親核性，Schrock類型的卡賓屬于這一類型，例如Np₃Ta=CH(tBu)；第二類卡賓同樣具有親核性，只是所形成的碳-金屬σ鍵比較弱，這類卡賓所能進行的典型反應包括羰基的烯烴化反應和烯烴復分解反應，第一、二類卡賓具有Wittig葉立德類似的性質(zhì)；對于第三類卡賓，由于配位金屬是較差的π電子反饋供體，這類卡賓表現(xiàn)出了親電性甚至具有碳負離子的性質(zhì)，Fisher類型的卡賓屬于這一類型，例如(CO)₅Cr=C(Ph)OMe；第四類卡賓的碳原子和配位金屬所形成的σ鍵和反饋π鍵都比較弱，表現(xiàn)出游離卡賓的性質(zhì)，這類親電性的卡賓復合物可以發(fā)生環(huán)丙基化反應、C-H插入反應以及形成葉立德的反應。

過渡金屬卡賓復合物中，Schrock和Fisher類型的卡賓復合物是兩個常見且重要的類型。Schrock類型的卡賓是高氧化態(tài)金屬復合物，價電子一般少于18個，金屬片段與卡賓碳均以三線態(tài)形式相互作用而成鍵，配位金屬M通常是早期過渡金屬，卡賓碳原子取代基不含提供孤電子對的雜原子，配體L為σ/π供體基團；Fisher類型的卡賓則是低氧化態(tài)金屬復合物，有18個價電子，金屬與卡賓碳以單線態(tài)形式相互作用，卡賓碳提供孤對電子與金屬空軌道形成σ鍵，相應的金屬提供孤對電子與卡賓碳的空的p軌道形成反饋π鍵，配位金屬M通常是后期過渡金屬，卡賓碳原子連有一個含雜原子的取代基，配體L為π受體基團。

從結構上看，Schrock類型的卡賓為高氧化態(tài)金屬復合物，理應是缺電子的，而實際上卻具有親核性，Fisher類型卡賓的反應性質(zhì)則截然相反，具有親電性。這種出乎意料的反應性質(zhì)其實是受前線軌道控制的：卡賓的2p空軌道和金屬基團ML_n的nd軌道之間的重疊程度和能級差別決定了卡賓金屬復合物的HOMO和LUMO的分子軌道能量，從而影響該復合物的反應性質(zhì)。

如上圖所示，Schrock類型卡賓復合物中，卡賓的2p軌道和金屬的nd軌道能級相近，軌道之間有效重疊，可以形成很強的π鍵，成鍵軌道（HOMO）的能量大大降低，而反鍵π^*軌道（LUMO）則是富能量的，最終產(chǎn)生的結果是：1）強的C-M π鍵使得電子由金屬轉(zhuǎn)移至卡賓碳原子上，2）高能量的反鍵π^*軌道不利于親核試劑的進攻。因此，盡管Schrock類型卡賓復合物的金屬基團是缺電子的，但由于其可形成有效的反饋π鍵，并且供電子的配體L不會分散π電荷，因而這類卡賓具有親核性。

Fisher卡賓復合物中，卡賓的2p軌道和金屬的nd軌道能級相差較大，軌道重疊程度低，成鍵軌道的能量降低得不多，形成的C-M π鍵較弱，金屬基團的π電子不能有效的轉(zhuǎn)移至卡賓碳原子上，而且作為π受體的配體L會分散π電荷，因此卡賓碳具有一定正電性，可以被所連雜原子的孤對電子穩(wěn)定。另外，這類卡賓復合物的反鍵軌道能量比較低，非常有利于親核試劑的進攻，表現(xiàn)出親電性。

2卡賓參與的反應

受多種結構因素（取代基、配位金屬和配體）的影響，卡賓復合物具有多樣的反應性質(zhì)，可參與多種化學反應，包括：1）插入反應；2）環(huán)丙基化反應；3）形成葉立德的反應；4）羰基的烯烴化反應；5）偶聯(lián)反應；6）烯烴復分解反應。

1．插入反應

根據(jù)卡賓金屬復合物插入的原子之間的相隔數(shù)目，插入反應形式上可分為1,1-插入反應、1,2-插入反應以及1,3-插入反應，如下圖A、B、C所示。其中，1,1-插入反應最為普遍且重要。

根據(jù)斷鍵類型的不同，1,1-插入反應包括C-C插入和Y-H插入，其中Y可以是C、N、O、S以及Si等原子；C-H插入反應是最常見的1,1-插入反應，反應中的卡賓復合物通常為Fisher類型，參與催化的金屬有Cu、Rh、Fe、Au、Ag、Ru、Pd、Ir以及Co等，以前兩種金屬最常見；通過引入手性配體可以實現(xiàn)不對稱的插入反應。

C-C插入反應并不多見，但對于某些結構特殊的底物可以實現(xiàn)相應的轉(zhuǎn)化，一個典型的例子是四元環(huán)醇化合物1在一價Rh催化下與重氮化合物2發(fā)生C-C插入反應得到擴環(huán)的五元環(huán)產(chǎn)物3。反應機理如下圖所示：化合物1與Rh催化劑反應生成O-配位的金屬復合物，然后經(jīng)β-碳消除反應再與化合物2形成銠-卡賓復合物，隨后經(jīng)過卡賓遷移插入、分子內(nèi)Aldol縮合以及質(zhì)子化反應得到產(chǎn)物3，同時生成O-配位的金屬復合物進入反應循環(huán)。

Y-H插入反應中，由于Y原子不同，其反應機理也有所差別，主要有如下圖所示的三種反應機理：1）當Y為sp³飽和碳原子或硅原子時，反應通過一個三元環(huán)過渡態(tài)的協(xié)同反應機理完成；2）當Y為帶有孤對電子的氧、氮、硫元素時，反應采用的是分步反應機理，帶有孤對電子的原子親核進攻卡賓碳原子，隨后金屬配體離去并發(fā)生質(zhì)子遷移從而得到插入反應產(chǎn)物；3）當Y為不飽和的sp²和sp碳原子時，反應經(jīng)歷的是偶聯(lián)反應的機理，首先生成相應的卡賓金屬復合物，然后經(jīng)過遷移插入反應和質(zhì)子化（或還原反應）得到插入反應產(chǎn)物。

下圖是兩個Csp²-H插入反應的案例，分別由金屬Rh和Au催化，前一個反應通過導向基團DG實現(xiàn)C-H鍵活化生成相應的金屬復合物，之后與重氮化合物形成卡賓復合物，再經(jīng)遷移插入和質(zhì)子化反應得到相應產(chǎn)物；后一個反應是苯酚在不同金屬催化下可分別得到C-H和O-H插入的產(chǎn)物。

對于Csp³-H插入反應，由于有機分子中存在多樣的C-H鍵，因而區(qū)域選擇性是一個非常值得關注的問題。分子間C-H插入反應的區(qū)域選擇性通常是由立體和電子因素決定的，受體/受體銠金屬卡賓復合物顯示出更強的電子效應選擇性，而供體/受體銠金屬復合物的選擇性則是由立體和電子因素共同決定：位阻越小，選擇性越高，即1o＞2o＞3o；相應位點的碳正離子越穩(wěn)定，選擇性越高，即3o＞2o＞1o。

在分子間的反應中，通過競爭性實驗得到了不同底物C-H功能化的反應活性以及選擇性，結果如下圖所示，可以看出，其選擇性是由立體和電子效應共同決定的。

分子內(nèi)的C-H插入反應中，形成環(huán)系的優(yōu)先順序通常為五元環(huán)＞六元環(huán)、四元環(huán)。當存在吸電子基團時，不利于相應的C-H鍵活化，則可能會生成四元環(huán)產(chǎn)物；在橋環(huán)結構的內(nèi)型和外型化合物中，C-H插入反應通常優(yōu)先在環(huán)同側進行，也是優(yōu)先形成五元環(huán)，其選擇性如下圖所示。

2．環(huán)丙基化反應

烯烴的環(huán)丙基化反應是一類重要的有機反應，參與反應的卡賓可以是游離的或是卡賓金屬復合物，游離的卡賓可以單線態(tài)和三線態(tài)兩種形式參與反應，如下圖所示。前者與烯烴的加成是一步協(xié)同的環(huán)加成反應，產(chǎn)物構型與反應的烯烴構型一致，是一個立體專一性反應；三線態(tài)卡賓的加成反應按兩步反應歷程進行，第一步生成一個雙自由基，兩個自由基電子自旋方向相同，第二步關環(huán)反應要求電子自旋匹配，因此需要其中一個自由基電子自旋翻轉(zhuǎn)，但其翻轉(zhuǎn)和相繼關環(huán)的反應速率比C-C σ鍵旋轉(zhuǎn)速率慢，故新生成的雙自由基有足夠的時間圍繞C-C σ鍵旋轉(zhuǎn)，因此，不論是反式還是順式烯烴的加成都會生成兩種構型的產(chǎn)物。

卡賓金屬復合物參與的反應中，催化金屬通常為Cu和Rh，金屬Pd和Mo也比較有效，其催化循環(huán)如下圖所示，當采用手性配體時可實現(xiàn)不對稱的環(huán)丙基化反應。該反應的可能機理有兩種：一種是通過形成金屬絡合的四元環(huán)中間體，另一種是通過親電進攻烯烴得到開鏈的離子型中間體，該反應具有較高的立體專一性。

3．形成葉立德的反應

重氮化合物是形成卡賓的前體化合物，在金屬催化或光照條件下可與含孤對電子的雜原子反應生成葉立德，相應的葉立德可進行后續(xù)的一系列反應，比較重要的一類是氧葉立德的反應。

氧葉立德進行的反應包括：1）O-轉(zhuǎn)移反應，環(huán)氧化合物與重氮化合物形成氧葉立德，通過電子重排得到相應的烯烴和羰基化合物；2）Stevens重排反應，也稱為[1,2]-σ遷移重排，當R₁為H時，可以看做卡賓的O-H插入反應；3）[2,3]-σ遷移重排，與Stevens重排類似，當混合醚含有烯丙基結構時，發(fā)生烷基遷移同時伴隨著雙鍵的重排；4）β-消除反應，類似Cope消除反應，立體化學遵循順式消除規(guī)則。

4．羰基的烯烴化反應

Wittig反應是實現(xiàn)羰基烯烴化的一個非常經(jīng)典的反應，如上文所述，Schrock類型的卡賓復合物具有Wittig葉立德類似的性質(zhì)，因此可以實現(xiàn)類似的轉(zhuǎn)化反應，其反應機理也同Wittig反應機理類似，催化金屬可以是Ti、Zr、Ta、Mo以及W，與Wittig反應稍不同的是可以實現(xiàn)酯、硫酯和酰胺羰基的烯烴化反應，一個經(jīng)典的例子是Tebbe烯烴化反應，實現(xiàn)了羰基的亞甲基化反應。

5．偶聯(lián)反應

偶聯(lián)反應在現(xiàn)代有機合成及工業(yè)生產(chǎn)應用中具有舉足輕重的作用，2010年諾貝爾化學獎授予Heck、Negishi和Suzuki三人以表彰他們在過渡金屬催化的C-C偶聯(lián)反應方面做出的重要貢獻，此外，偶聯(lián)反應也廣泛應用于C-N和C-O鍵的構建。過渡金屬催化的偶聯(lián)反應有Heck反應、Suzuki-Miyaura反應、Stille反應、Negishi反應、Kumada-Corriu反應、Sonogashira反應、Hiyama-Denmark反應、Ullmann反應、Chan-Lam反應以及Buchwald-Hartwig反應等。典型的偶聯(lián)反應是在過渡金屬催化下，將親電性的分子和親核性的分子連接起來。親電性分子通常為鹵代物或其類似物，親核性分子一般為有機金屬化合物，Heck反應中是烯烴作為親核性分子，在碳-雜原子偶聯(lián)反應中，親核性分子為胺類、醇類、酚類以及硫酚類化合物。

很長一段時間內(nèi)，過渡金屬催化的偶聯(lián)反應和卡賓金屬復合物參與的反應是兩個獨立的研究領域，兩者之間沒有交叉和整合。而實際上，這兩類反應有一個共同特點，即都需要過渡金屬催化，這就為整合兩類反應、擴展相應的方法學和應用提供了可能性。

在金屬卡賓參與的偶聯(lián)反應中，關鍵的一步反應是卡賓的遷移插入反應，該步反應實現(xiàn)了C-C鍵構建，相應的卡賓金屬復合物可能通過兩條途徑得到：1）先通過氧化插入反應得到有機金屬復合物，再與重氮化合物反應生成卡賓金屬復合物；2）通過卡賓金屬復合物與底物之間的轉(zhuǎn)金屬作用得到。金屬遷移插入反應得到的金屬復合物可進行后續(xù)的反應，包括還原反應、β-消除反應以及偶聯(lián)反應等。

下圖是相應的金屬復合物進行后續(xù)反應得到不同產(chǎn)物的三個具體案例，第一個反應在生成金屬復合物之前有一個羰基插入反應，然后通過遷移插入和還原反應得到相應產(chǎn)物；第二個反應是通過金屬卡賓參與的偶聯(lián)反應及后續(xù)的β-消除過程得到了雙底物偶聯(lián)的烯烴產(chǎn)物；第三個反應則是通過金屬卡賓參與的偶聯(lián)反應構建兩根C-C鍵，實現(xiàn)了三底物的偶聯(lián)反應。

6．烯烴復分解反應

烯烴復分解反應已被廣泛認可為是最重要的催化反應之一，這一反應的重要性體現(xiàn)在包括基礎研究、藥物及其他具有生物活性的分子合成、聚合物材料及工業(yè)合成等各個領域中的廣泛應用。2005年諾貝爾化學獎授予法國石油研究院的Yves Chauvin博士，美國加州理工學院的Robert H. Grubbs博士和麻省理工學院的Richard R. Schrock博士，以表彰他們?yōu)榘l(fā)展烯烴復分解反應所作的突出貢獻。

Chauvin提出了目前被廣泛認同的反應機理：烯烴與金屬卡賓通過[2+2]環(huán)加成形成金屬雜環(huán)丁烷中間體，實現(xiàn)了雙鍵斷裂，重組生成新的烯烴的轉(zhuǎn)化過程。該機理促進了后來單組分均相催化劑的發(fā)現(xiàn)，如鎢和鉬的卡賓絡合物，特別是Schrock催化劑，這是首次合成具有明確結構且已商品化的催化劑。隨后Grubbs開發(fā)了更實用、高效的催化劑，克服了其他催化劑對官能團兼容范圍小的缺點，該催化劑不但對空氣穩(wěn)定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以保持催化活性。1999年發(fā)展的第二代Grubbs催化劑，用具有更強給電子能力和更高穩(wěn)定性的N-雜環(huán)卡賓配體取代一個膦配體，催化活性比第一代催化劑提高了兩個數(shù)量級，同時選擇性更高，對底物的適應范圍更加廣泛，催化劑的成本也更低。

Grubbs和Schrock催化劑為有機化學家提供了新的方法，在有機合成中具有廣泛的應用，可以催化不同類型的復分解反應，包括關環(huán)復分解反應（RCM）、開環(huán)復分解反應（ROM）、交叉復分解反應（CM）、開環(huán)復分解聚合反應（ROMP）、非環(huán)雙烯復分解聚合反應（ADMET）以及烯炔復分解反應等。

參考資料：

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