基本介紹
- 中文名：烯烴複分解反應
- 套用學科：化學
- 含義：化學研究領域中最基本的問題
- 歷史回顧：Chauvin提出的烯烴與金屬卡賓
化學鍵的斷裂與形成是化學研究領域中最基本的問題，研究碳-碳鍵的斷裂與形成規律是有機化學中需要解決的核心問題之一，碳－碳雙鍵和三鍵的鍵能與碳－碳單鍵相比要高得多，因此要切斷前者並使其按照希望的方式重新結合，則需要更高的能量，所以尋找適當的催化劑實現上述轉化，成為化學家近半個世紀的挑戰課題。烯烴複分解反應，是指在金屬催化下的碳－碳重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。由此可以看出，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》所列舉的化學領域的最熱門課題，釕（Ru，－種稀有元素）金屬絡合物催化的烯烴複分解反應，在2001年中長期成為化學研究領域中關注的熱點。
1．歷史回顧
關於金屬催化的烯烴分子的切斷與重組，即烯烴複分解反應的研究，可以追溯到20世紀50年代中期。在以後的20多年裡，所發展的催化劑均為多組分催化劑，如MoO3/SiO2,Re2O7/A12O3,WC16/Bu4Sn等。但是，由於這些催化體系通常需要苛刻的反應條件和很強的路易斯酸性條件，使得反應對底物容許的功能基團有很大的限制。這些問題促使人們去進一步認識和理解反應進行的機制。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，是目前被廣泛認同的機制。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結構－性能關係成為可能，從而為發現新一代的、性能更優秀的催化劑奠定了基礎。
2．第一代Grubbs催化劑的發現與套用
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套用。一個突破性的進展是1992年美國加州理工學院的RobertGrubbs發現了釕卡賓絡合物，並成功套用於降冰片烯的開環聚台反應，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，成為套用最為廣泛的烯烴複分解催化劑。
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套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將關環複分解反應套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的生產中己有套用，產量大於300千克，E值為0.87，具有較好的原子經濟性。
3．第二代Grubbs催化劑的開發與套用
最近，Grubbs通過系統地對催化劑結構－性能關係進行研究，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，在開環複分解聚合反應中，催化劑用量可以降低至百萬分之一，在關環複分解反應中，催化劑用量也僅為萬分之五，同時選擇性更高，對底物的適應範圍更加廣泛，催化劑的成本也更低。目前，第二代Grubbs催化劑己成功地套用於烯烴的開環複分解聚合反應，它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套用，特別是套用於一些工業催化過程。
4．發展趨勢與展望
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並得到廣泛套用，Grubbs催化劑的反應活性以及對反應底物的適用性己經和傳統的碳－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。從其發展歷程可以看出，每一次研究的突破，無不歸因於長期堅恃不懈的基礎研究積累，從而不斷地創新，廣泛的套用前景是其能成為一個熱點領域的根本動力。
儘管烯烴複分解反應的研究己經取得了很大突破，但仍然存在不少挑戰。首先，目前的催化體系，對於形成四取代烯烴的交叉複分解反應以及桶烯的開環聚合還不能有效地實現，釕的催化體系還不能適用於帶有鹼性官能團（如氨基、氰基）的底物，烯烴複分解反應中的立體化學問題、特別是有關催化不對稱轉化（儘管使用手性Mo催化劑已經實現了開環聚合反應的動力學拆分）的問題還沒有很好地解決，關於交叉複分解反應中產物的順、反異構體的選擇性控制，雖然對於某些特定的底物已經取得了一些成功，但還沒有普遍的規律可循；另外，烯烴複分解反應的工業套用還很少。所有這些都是需要解決的問題，其關鍵是在基礎研究方面能否有進一步突破，特別是在催化的效率、選擇性等方面。
2005年的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伊夫·肖萬、羅伯特·格拉布和理察·施羅克。
【註：圖片形象地表示一對舞者（烯烴），在催化劑（金屬卡賓）作用下，和另一對舞者（另一烯烴）連成環狀，接著相互改變搭檔（形成兩個新的烯烴）。】
1．歷史回顧
關於金屬催化的烯烴分子的切斷與重組，即烯烴複分解反應的研究，可以追溯到20世紀50年代中期。在以後的20多年裡，所發展的催化劑均為多組分催化劑，如MoO3/SiO2,Re2O7/A12O3,WC16/Bu4Sn等。但是，由於這些催化體系通常需要苛刻的反應條件和很強的路易斯酸性條件，使得反應對底物容許的功能基團有很大的限制。這些問題促使人們去進一步認識和理解反應進行的機制。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，是目前被廣泛認同的機制。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結構－性能關係成為可能，從而為發現新一代的、性能更優秀的催化劑奠定了基礎。
2．第一代Grubbs催化劑的發現與套用
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套用。一個突破性的進展是1992年美國加州理工學院的RobertGrubbs發現了釕卡賓絡合物，並成功套用於降冰片烯的開環聚台反應，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，成為套用最為廣泛的烯烴複分解催化劑。
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套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將關環複分解反應套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的生產中己有套用，產量大於300千克，E值為0.87，具有較好的原子經濟性。
3．第二代Grubbs催化劑的開發與套用
最近，Grubbs通過系統地對催化劑結構－性能關係進行研究，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，在開環複分解聚合反應中，催化劑用量可以降低至百萬分之一，在關環複分解反應中，催化劑用量也僅為萬分之五，同時選擇性更高，對底物的適應範圍更加廣泛，催化劑的成本也更低。目前，第二代Grubbs催化劑己成功地套用於烯烴的開環複分解聚合反應，它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套用，特別是套用於一些工業催化過程。
4．發展趨勢與展望
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並得到廣泛套用，Grubbs催化劑的反應活性以及對反應底物的適用性己經和傳統的碳－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。從其發展歷程可以看出，每一次研究的突破，無不歸因於長期堅恃不懈的基礎研究積累，從而不斷地創新，廣泛的套用前景是其能成為一個熱點領域的根本動力。
儘管烯烴複分解反應的研究己經取得了很大突破，但仍然存在不少挑戰。首先，目前的催化體系，對於形成四取代烯烴的交叉複分解反應以及桶烯的開環聚合還不能有效地實現，釕的催化體系還不能適用於帶有鹼性官能團（如氨基、氰基）的底物，烯烴複分解反應中的立體化學問題、特別是有關催化不對稱轉化（儘管使用手性Mo催化劑已經實現了開環聚合反應的動力學拆分）的問題還沒有很好地解決，關於交叉複分解反應中產物的順、反異構體的選擇性控制，雖然對於某些特定的底物已經取得了一些成功，但還沒有普遍的規律可循；另外，烯烴複分解反應的工業套用還很少。所有這些都是需要解決的問題，其關鍵是在基礎研究方面能否有進一步突破，特別是在催化的效率、選擇性等方面。
2005年的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伊夫·肖萬、羅伯特·格拉布和理察·施羅克。
【註：圖片形象地表示一對舞者（烯烴），在催化劑（金屬卡賓）作用下，和另一對舞者（另一烯烴）連成環狀，接著相互改變搭檔（形成兩個新的烯烴）。】
