金催化化學(xué)概況及新進(jìn)展

• 2012-08-22
• 專題

金位于元素周期表的第六周期IB族。正如這個周期的其他后過渡金屬，比如銥和鉑，它的非同一般的化學(xué)催化能力曾經(jīng)被長期忽視，直到最近才被發(fā)掘出來并成為現(xiàn)代化學(xué)催化化學(xué)發(fā)展最快、最具潛力的新興研究領(lǐng)域，受到有機化學(xué)家的廣泛關(guān)注，在當(dāng)前有機化學(xué)研究熱點里唯有有機小分子催化^[1]可以與之抗衡。

金的配位化學(xué)^[2]研究較早，盡管如此，金仍然長期被認(rèn)為室沒有催化活性的金屬。早期也有金催化反應(yīng)的報道^[3]，但都是被認(rèn)為和其他金屬相比沒有任何優(yōu)越性和不同，這樣的狀況自1973年開始改觀，非均相金催化表現(xiàn)出來的不同一般的催化能力引起了化學(xué)家的注意^[4]；同時，雖然早在1992年Ito^[5]等就發(fā)表了手行金配體催化的醇醛反應(yīng)，但是均相金催化直到金催化醇胺對炔烴的親和加成反應(yīng)^[6]才得以實現(xiàn)。這些分散的報道最終在20世紀(jì)末吸引了一些前瞻性強的科學(xué)家，他們細(xì)致的工作很快打開了金化學(xué)的寶藏，由此金化學(xué)的“黃金時代”在21世紀(jì)初到來，他的秘密迅速被挖掘、解讀和拓展。一大批優(yōu)秀化學(xué)家出色的工作不斷出現(xiàn)在高端化學(xué)雜志上，綜述文章也屢見報章^[7]。雖然目前金化學(xué)研究步伐稍慢，但是突破性的研究還在繼續(xù)，比如說金鈀共催化^[8]，顯示著它旺盛的生命力。

金催化化學(xué)大致分為非均相催化和均相催化兩類^[7a]。本為將專注于對均相金催化做一個描述。迄今為止最詳盡的金化學(xué)綜述當(dāng)屬意大利化學(xué)家Areadi在2009年發(fā)表與Chem.Rev.的論文^[7e]；而真正對金化學(xué)的反應(yīng)本質(zhì)進(jìn)行深入討論并提出關(guān)鍵化學(xué)理論的綜述則是來自于德國化學(xué)家Furstner在2007年發(fā)表與Angew.Chem.的一篇報道^[7b]。在該文中他提出了金離子的“π酸性(π-acidity)”以及相應(yīng)的“親碳活性(carbophilic activation)”概念。這些理論，雖然存在一定的模糊性，但是較完美的構(gòu)建了金化學(xué)的初步框架。很明顯，隨之后來的該領(lǐng)域的進(jìn)展，很多得益于此。

1         金化學(xué)的兩個重要概念

1.1π酸性和親碳活性

過渡金屬和稀炔類π配體形成的絡(luò)合物的成鍵形態(tài)通?？梢杂肈ewar-Chatt-Duncansan(DCD)模型^[9]來詮釋。在這個模型里，我、配位鍵可以看作是電子給體和受體之間的相互關(guān)系。在金催化化學(xué)領(lǐng)域里，金元素與碳碳叁鍵配位兒引發(fā)的反應(yīng)更具有起獨特性，當(dāng)然它對碳碳雙鍵的活化^[7b]也受到了一定餓重視，特別是對聯(lián)烯炔烴的活化拓展了聯(lián)烯化學(xué)[7a]。這里，我們通過一價金離子和最簡單的叄鍵配體乙炔的四重電子軌道作用了解釋一下金對叄鍵的活化作用(圖1) ^[10]。精確的計算表明，金離子的d電子軌道和乙炔的π軌道通過軌道對稱性形成4層相互作用，其中最重要的L→M(L指配體，M指金屬原子)的σ鍵成鍵作用的貢獻(xiàn)占了65%，而M→L的π鍵成鍵作用的貢獻(xiàn)則占27%，其他連個作用很弱，只占8%，也就是說，我們可以得出結(jié)論：炔烴對于金離子而言是很好的σ給體，同時又是較弱的π受體；這4層作用綜合決定了炔烴的電子云密度向金離子轉(zhuǎn)移，也就體現(xiàn)出了金的π-酸性和對炔烴叄鍵的活化作用。

金在與碳碳叄鍵發(fā)生配位作用后可能形成一種金代環(huán)丙烯結(jié)構(gòu)1(圖式1中的式1)，這個結(jié)構(gòu)可以用更接近反應(yīng)事實的共振結(jié)構(gòu)：金鏈接的乙烯基碳正離子2來描述；絕大多數(shù)金催化的親核進(jìn)攻反應(yīng)在這個階段，在AuLn從η2向η1配位轉(zhuǎn)化的同時親核體在反式的方向進(jìn)攻^[11]。Toste等[12]報道的金催化的Conia-ene反應(yīng)機理研究很好說明了以上理論機制很好說明了以上理論機制（圖式1中的式2）.在沒有諸如醇胺等親核試劑存在條件下，金離子的電子反饋能力促使電子從金離子中心向乙烯基正離子轉(zhuǎn)移，從而形成金卡賓鏈接的雙自由基中間體3；在眾多的烯炔骨架重排反應(yīng)離可以用這個模型解釋金化學(xué)的特殊性。

1.2  Fisher-型金卡賓、推-拉反應(yīng)性和金催化的串級反應(yīng)

在上面的介紹里面我們已經(jīng)提到了金卡賓的形成，從頭計算表明，金通過起d電子的反饋作用穩(wěn)定了反應(yīng)過程中形成的不穩(wěn)定卡賓^[13]。很多實驗數(shù)據(jù)表明，金卡賓不具有碳金雙鍵的特征，兒應(yīng)當(dāng)更恰當(dāng)?shù)拿枋鰹榻疰溄拥奶颊x子。由此，在反應(yīng)最先引發(fā)的時候，金催化劑表現(xiàn)出對叄鍵“拉”作用，碳碳叄鍵的電子云密度向金配體轉(zhuǎn)移，而在反應(yīng)的過程中金的特殊的d電子反饋作用，也就是“推”作用很好的穩(wěn)定了卡賓。這類缺電子的卡賓極易發(fā)生類似頻哪醇重排類型的1,2-遷移，從而推動串級重排反應(yīng)。

這里可以用一個例子^[14]很好的說明以上機制(圖式2)。最初的碳碳叄鍵活化使得起電子被“拉”兒引發(fā)疊氮的親核進(jìn)攻，兒下一步電子從金配體里面重新釋放“推”和氮氣單質(zhì)的形成給出了金卡賓中間體4；環(huán)丁烷的環(huán)張力通過向金卡賓的1,2-遷移消除環(huán)張力形成中間體5。從這么一個典型的例子里面可以看出，完美的設(shè)計和對反應(yīng)機制的預(yù)先把握使得反應(yīng)的流向得到了控制。

在上面的例子中，最后一部金催化劑通過一步電子反饋給正離子從而重新游離出來，實現(xiàn)了催化過程；兒實際上在金催化反應(yīng)中金配體還可以通過質(zhì)子化被釋放出來。從某種程度上說，金離子和H+可以互相替換，這個過程最常見發(fā)生在醇對碳碳叄鍵的親核進(jìn)攻；不同于汞對叄鍵的活化，碳金鍵C-Au很容易被切斷，從而保證了金催化的高效性^[7b]；而且它的低毒性和對水和氧氣的低敏感性使得金化學(xué)受到廣泛的歡迎。

以上幾個金化學(xué)里面經(jīng)常出現(xiàn)的概念很好的解釋了大多數(shù)均相金催化的化學(xué)反應(yīng)，巧妙的分子設(shè)計和適合反應(yīng)條件，其中包括最重要的配體的選擇，引領(lǐng)出一系列反應(yīng)結(jié)果。當(dāng)然金化學(xué)的本質(zhì)遠(yuǎn)不止這些，它還有許多復(fù)雜的層面有待化學(xué)家去揭示。

2  金化學(xué)的兩類重要反應(yīng)

2.1 對碳碳叄鍵的親核進(jìn)攻

    親核進(jìn)攻反應(yīng)是一個非常廣譜的概念，原則上只要發(fā)生了對活化后的缺電子的碳碳叄鍵的進(jìn)攻，不管室對一個試劑還是一個官能團(tuán)，這個過程都被乘坐親核進(jìn)攻。因此在金化學(xué)領(lǐng)域里面親核進(jìn)攻反應(yīng)占據(jù)了很大的篇幅，我們只能做一些簡要的描述。其中最具代表的有以下幾類：(1)烯炔環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)(Enyen Cycloisomerization) [7e]；(2)炔丙酯重排反應(yīng)；(3)烷氧甲?；磻?yīng)(Carboalkoxylation)。

金催化的烯炔環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)發(fā)生在一個同時具有碳碳雙鍵和叄鍵的分子內(nèi)。它的反應(yīng)機制曾經(jīng)困擾了許多化學(xué)家，但是隨著金催化化學(xué)本質(zhì)的不斷揭示，在烯炔結(jié)構(gòu)共同存在下金催化劑有限活化叄鍵，而烯炔部分則成為親核試劑；改異構(gòu)話反應(yīng)催生了一系列廣泛的研究，產(chǎn)生了許多的不同反應(yīng)途徑，極好的體現(xiàn)了金催化化學(xué)合成的分子多樣性。

迄今為止有機化學(xué)家們已經(jīng)發(fā)展了許多不同配體的金催化劑(圖4) ^[7f]，最簡單的當(dāng)屬AuCl和AuCl3。2005年Hashimi發(fā)現(xiàn)了吡啶-2-甲酸室很好的三價金的配體，相應(yīng)的絡(luò)合物(見圖4)是個非常溫和高效的催化劑，Zhang等成功地拓展了它優(yōu)異的催化性能；不過使用最廣泛的還是穩(wěn)定的一價金配合物，其中以PPh3AuX和IprAuX為代表，它們都是通過相應(yīng)的LauCl和銀鹽的離子交換而增強了金離子的Lewis酸性，其中SbF6-和NTf2-這兩個陰離子最為突出。Shi^[15]等提出用三唑從動力學(xué)上穩(wěn)定一價金離子的概念；由于一價金離子線性雙配位的化學(xué)事實，她的不對稱催化能力受到很大的限制，為了提高手性選擇性，軸手性的雙磷配體廣泛見于金化學(xué)反應(yīng)；2008年Toste^[16]等提出了使用手性陰離子，比如手性磷酸陰離子，與金離子匹配可以有效的增強它的手性環(huán)境。盡管金配體化學(xué)雞肋了足夠的實驗數(shù)據(jù)，但是目前它的預(yù)測能力遠(yuǎn)不如鈀化學(xué)，正如烯炔的環(huán)異構(gòu)化反應(yīng)，它的反應(yīng)結(jié)果總能出人意料！

第二類研究很多的炔丙酯的重排反應(yīng)。簡單的炔丙酯回因為末端取代的不同給出不同的反應(yīng)性：1,2-遷移和1,3-遷移(圖5)；前者通過金離子的電子反饋能力形成金卡賓6，可以進(jìn)一步和一個卡賓受體比如烯炔進(jìn)行環(huán)丙化加成反應(yīng)；后者則通常給出聯(lián)烯炔中間體7，她可以進(jìn)一步被進(jìn)催化劑活化，形成金鏈接的烯丙基碳正離子8，改中間體可以引發(fā)其他串級反應(yīng)，給出非常有合成價值的分子結(jié)構(gòu)^[7a]。

烷氧甲?；磻?yīng)通過金催化來實現(xiàn)對叄鍵的官能團(tuán)化。該類反應(yīng)不僅僅包括烷氧化，在Furstner的綜述^[7b]里把氨化和硫化也都?xì)w類在這個反應(yīng)里面，由此成功的應(yīng)用于雜環(huán)化合物的合成。

2.2 碳?xì)浠罨?/p>

碳?xì)浠罨恢笔怯袡C化學(xué)家研究的熱點，將金催化劑應(yīng)用于改領(lǐng)域無疑拓展了它的研究空間。然而，在金化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)真正的碳?xì)浠罨睦雍苌佟Ｓ捎谀壳敖鸫呋奶細(xì)浠罨磻?yīng)機理還很模糊，兒通常反應(yīng)的結(jié)果室類似付克產(chǎn)物，因此，在Li等^[7d]的一篇金化學(xué)綜述里面將碳?xì)浠罨徒鸫呋母犊朔磻?yīng)放在一起討論。雖然有一些反應(yīng)食用強的Bronsted酸不能完成轉(zhuǎn)化，但是很多例子表明Bronsted酸也能催化同樣的反應(yīng)。

2004年，Shi等^[17]報道了AuCl3/AgOTf催化的環(huán)氧乙烷的分子內(nèi)和分子間的氫芳化反應(yīng)，該反應(yīng)很可能室通過芳基金對環(huán)氧SN2親核取代的反應(yīng)機制進(jìn)行的，給出了和付克反應(yīng)完全不同選擇性的產(chǎn)物(圖6中式1)；Hashimi等^[18]報道的不飽和酮對呋喃的加成產(chǎn)物更有可能室通過付克反應(yīng)進(jìn)行的。直觀的結(jié)論是，芳香化合物的電負(fù)性決定反應(yīng)的機制：電荷豐富的芳香烴更傾向于碳?xì)浠罨?，而電荷密度較低的則傾向于付克反應(yīng)(圖6中式2)。金催化劑也可以活化Csp-H。也可以活化末端炔氫。一個典型的例子是支等^[19]報道的Salen-Au(Ⅲ)催化的水相合成丙炔氨化合物的反應(yīng)，手性輔助基團(tuán)使反應(yīng)具有了大雨99：1的費對映選擇性(圖6中式3).該類活化也成功的拓展了Sonogoshica偶聯(lián)反應(yīng)^[20]。

3  金化學(xué)的重要進(jìn)展

3.1 金化學(xué)的Suzuki類型的反應(yīng)

    Zhang等^[21]在2009年發(fā)表于Angew.chem.的一篇論文代表了金化學(xué)未來發(fā)展的一大趨勢：讓金也能做類似鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，一價金可以快速的被腐化試劑1-氯甲基-4-氟-1,4-二氮鎓二環(huán)[2.2.2]辛烷的二(四氟硼酸)鹽氧化成三價金，而后者可以通過金屬交換和還原消除給出偶聯(lián)產(chǎn)物(圖7)。實驗表明，烷基金或者烯基金中間體并不是向我們想象中的那樣不穩(wěn)定，它的質(zhì)子化十一哥相對較慢的過程，也就是說他的軟硬度介于鈀汞和鎂鋁之間，使得它有足夠的時間被氧化還原，成功的將以上機制應(yīng)用于碳碳雙鍵的官能團(tuán)化^[22]。

3.2 金催化劑和其他試劑的協(xié)同催化反應(yīng)

雙重催化(Dual catalysis) ^[23]就是將金對叄鍵獨特活化能力和其他不同類型的催哈ufanying結(jié)合起來，比如和有機小分子催化的反應(yīng)結(jié)合起來，從而“一鍋法”合成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分子；而金催化劑其優(yōu)異的化學(xué)選擇性和官能團(tuán)包容性保證了這一策略的實施。例如，一價金催化劑可以很好的和吡咯共同催化(圖8中式1)反應(yīng)^[24]。金催化劑還可以和鈀試劑共同催化(圖8中式2)反應(yīng)^[8]。最新的結(jié)果進(jìn)一步表明，鈀可以與金反應(yīng)中間體進(jìn)行金屬交換，從而讓鈀接力金完成單純金催化不能完成的轉(zhuǎn)換。

4.結(jié)語

金化學(xué)在短短的十幾年之內(nèi)快速發(fā)展，已經(jīng)成為一個十分熱門的金屬有機化學(xué)領(lǐng)域，許多反應(yīng)被成功發(fā)現(xiàn)丙逐步獲得應(yīng)用，同時不斷有新的概念被提出和實現(xiàn)，毫無疑問，他的研究和應(yīng)用價值還將會不斷開拓。

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注：本文為提供者整理翻譯的，由于知識所限，錯誤在所難免，敬請原諒。如有問題可以查找原文。