氮雜環(huán)卡賓簡介概述目錄TOC\o"1-3"\h\u28307氮雜環(huán)卡賓簡介概述 圖2.1）。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11卡賓發(fā)展史上的代表性化合物FigureSTYLEREF1\s2.SEQFigure\*ARABIC\s11RepresentativeCompoundSintheHistoryofCarbene穩(wěn)定的氮雜環(huán)卡賓氮雜環(huán)卡賓的電子效應根據基態(tài)卡賓的兩個未成鍵電子的軌道占據狀態(tài)，卡賓具有單線態(tài)卡賓與三線態(tài)卡賓兩種類型。單線態(tài)卡賓的中心碳原子以sp2的方式進行軌道雜化，其未成鍵的兩個電子以自旋反平行的方式占據中心碳原子的sp2空軌道，因此具有親電、親核雙重性質；而三線態(tài)卡賓的碳原子以sp2或sp的方式進行軌道雜化，其未成鍵的兩個電子自旋平行地占據其兩個空軌道，具有雙自由基的特性。由于兩類卡賓中心碳原子雜化方式的差異，三線態(tài)卡賓的R-C-R'鍵角比單線態(tài)卡賓大。氮雜環(huán)卡賓（N-Heterocycliccarbene,NHC）基本上是單線態(tài)卡賓，其穩(wěn)定性來源于電子效應與立體效應的共同作用。電子效應包括氮原子對中心碳原子的σ吸電子作用和π給電子作用，一方面氮原子電負性較強，可以將碳氮鍵的電子云拉向氮原子一側，穩(wěn)定碳原子軌道；另一方面，卡賓碳原子擁有一個空的p軌道，使得氮原子的孤對電子通過給電子與其共軛，使得卡賓碳中心電子密度稍有上升，缺電子性下降，因而使卡賓更加穩(wěn)定（REF_Ref72157876\h圖2.2）。此外，這種獨特的電子結構使氮雜環(huán)卡賓具有強σ給電子與弱π吸電子的能力，讓其可以接受過渡金屬的d軌道反饋電子，使得此類配體可與所有過渡金屬以一定的價態(tài)進行絡合形成較為穩(wěn)定的過渡金屬卡賓配合物。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12氮雜環(huán)卡賓的電子結構FigureSTYLEREF1\s2.SEQFigure\*ARABIC\s12TheElectronicStructureofN-HeterocyclicCarbene氮雜環(huán)卡賓的立體效應氮雜環(huán)卡賓獨特穩(wěn)定性的另一來源是其特殊的立體效應，氮原子上的大位阻取代基能夠有效地防止卡賓二聚；并且環(huán)結構使得R-C-R'鍵角變小，有利于形成咪唑環(huán)共軛體系，使得咪唑型氮雜環(huán)卡賓體系的穩(wěn)定性上升。由于N-雜環(huán)卡賓的強σ給體特性，其最早被認為可作為有機膦試劑的輔助配體，但是后來發(fā)現其與膦配體也存在許多不同之處。兩者最大的差異來自于取代基的立體效應，膦配體整體呈錐形，磷原子上的取代基是遠離金屬的，電子效應和立體效應難以獨立調節(jié)；而N-雜環(huán)卡賓的空間構型顯示出傘形的特征（REF_Ref72158842\h圖2.3），氮原子上的取代基是指向金屬的，很容易通過調節(jié)立體效應來調控氮雜環(huán)卡賓配體的手性傳遞性能。并且N-雜環(huán)卡賓配體較膦配體而言，其σ給電子能力更強，能夠有效地增加與其連接的金屬原子的電子密度，導致其與金屬形成的配合物催化劑的熱穩(wěn)定性與氧化穩(wěn)定性較高。此外，N-雜環(huán)卡賓自身的穩(wěn)定性較強，克服了傳統(tǒng)膦配體不穩(wěn)定、易被氧化的缺點。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s13氮雜環(huán)卡賓配體獨特的立體效應FigureSTYLEREF1\s2.SEQFigure\*ARABIC\s13SpecialStereoscopicEffectsofNHCLigands氮雜環(huán)卡賓的分類N-雜環(huán)卡賓一個最大的特點便在于模塊化結構讓其更易修飾，使得電子效應與立體效應可調節(jié)，主要通過環(huán)骨架、環(huán)尺寸以及環(huán)上的各種取代基等因素進行調控。其可以有四、五、六、七等不同大小的環(huán)骨架，其中五元環(huán)骨架最為常見。而較常用咪唑、咪唑啉、噻唑和三唑等五元雜環(huán)作為氮雜環(huán)卡賓的環(huán)骨架（REF_Ref72158862\h圖2.4），其中咪唑型、二氫咪唑型主要充當金屬有機催化的配體，而噻唑型和三唑型則主要作為有機小分子催化劑使用。另外由于取代基的可調控性，可以將手性基團或骨架引入到氮雜環(huán)卡賓上，發(fā)展一系列手性氮雜環(huán)卡賓并將其應用至多種不對稱催化反應中，我們這里重點介紹咪唑型、二氫咪唑型N-雜環(huán)卡賓。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s14常見的氮雜環(huán)卡賓FigureSTYLEREF1\s2.SEQFigure\*ARABIC\s14SomeImportantClassesofNHC另外，由于氮雜環(huán)卡賓的結構可調控性，可以用連接單元將單齒氮雜環(huán)卡賓聯結，從而形成雙齒卡賓、多齒卡賓等。目前單齒和雙齒卡賓在過渡金屬催化中的應用報道較多，限于篇幅，我們這里主要對手性單齒和雙齒卡賓配體的主要進展進行了簡要綜述。氮雜環(huán)卡賓配體的應用與發(fā)展氮雜環(huán)卡賓研究的蓬勃發(fā)展與其與金屬形成的配合物具有優(yōu)良的催化性能密不可分，上個世紀末以來，氮雜環(huán)卡賓被廣泛應用于過渡金屬催化的有機合成反應，并且取得了許多高反應活性、高對映選擇性、高化學選擇性、高區(qū)域選擇性的結果ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[25,26]。第一例將金屬卡賓配合物用于過渡金屬催化的例子是HerrmannADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[27]課題組于1995年報道了利用醋酸鈀與N,N-二甲基咪唑碘化物合成咪唑型卡賓-鈀配合物1，這種配合物可以再10小時內以99%的轉化率催化對溴苯甲醛與丙烯酸正丁酯的Heck偶聯反應，并且此催化劑易制備、穩(wěn)定性強、不易失活，其TON值可高達250000（REF_Ref72162137\h圖2.5）。NHC配體在交叉偶聯中的優(yōu)異表現，一方面由于其強σ給體特性使得催化活性金屬中心相對更加富電子、更容易進攻碳鹵鍵，從而促進氧化加成的進行；另一方面因為NHC配體對于金屬中心的大位阻效應能夠促使還原消除的加快。此外受NHC配體獨特的電子效應與位阻效應影響，使得低價態(tài)活性金屬催化劑穩(wěn)定性上升，且不易分解為金屬單質。而N-雜環(huán)卡賓配體在過渡金屬催化方面的顯著應用是通過Grubbs二代催化劑的設計及其發(fā)展淋漓盡致地展示出來的。1999年，NolanADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Huang</Author><Year>1999</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[28]</style></DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="psewfdt92wxz23esvvjps5a5zsddsesas9f0"timestamp="1620733496">38</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Huang,J.K.</author><author>Stevens,E.D.</author><author>Nolan,S.P.</author><author>Petersen,J.L.</author></authors></contributors><titles><title>Olefinmetathesis-activerutheniumcomplexesbearinganucleophiliccarbeneligand</title><secondary-title>JournaloftheAmericanChemicalSociety</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournaloftheAmericanChemicalSociety</full-title></periodical><pages>2674-2678</pages><volume>121</volume><number>12</number><dates><year>1999</year><pub-dates><date>Mar31</date></pub-dates></dates><isbn>0002-7863</isbn><accession-num>WOS:000079510100004</accession-num><urls><related-urls><url><GotoISI>://WOS:000079510100004</url><url>/doi/pdf/10.1021/ja9831352</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1021/ja9831352</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[28]與GrubbsADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[29,30]分別獨立報道將N-雜環(huán)卡賓配體替代Grubbs一代催化劑中的一個膦配體，其形成的穩(wěn)定催化劑2在二烯丙基丙二酸二乙酯的關環(huán)復分解反應(Ringclosingmetathesis,RCM)中表現十分出色（REF_Ref72162137\h圖2.5），Grubbs也因為此種催化劑及