用CO实现无金属的卡宾催化羰基化反应

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在过去的十年中，化学家们已证明有少数有机化合物具有类似于过渡金属的催化作用。2007年，Guy Bertrand课题组发现拥有一对孤对电子和一个可接近的空轨道的单重态卡宾的化学性质类似于过渡金属中心。一些稳定的亲电子卡宾不仅可以裂解B-H，Si-H，P-H，N-H，C-H和C-F等化学键，甚至可以裂解具有挑战性H₂和NH₃的分子。最近也有报道表明碳原子上也能发生还原消除反应。但目前为止，很少有能够活化一氧化碳并催化其进行化学转化的有机化合物。最近，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Guy Bertrand课题组报道了稳定的单线态两性卡宾活化CO并催化邻苯醌化合物的羰基化反应，这为发现无金属催化羰基化反应铺平了道路。相关成果近期发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.0c09938）。

作者设计了一系列反应对催化循环的不同步骤进行研究。首先，卡宾与CO反应生成烯酮。作者选取具有较小单重态-三重态（S/T）能垒的双环(烷基)(氨基)卡宾BiCAAC和环(烷基)(氨基)卡宾CAAC作为底物分别与CO 反应。实验表明，这两种卡宾在室温下能够立即与苯或四氢呋喃中的CO反应，分别以85％和90％的分离收率得到相应的烯酮Ket-1和Ket-2（Scheme 1A）。随后，烯酮与邻苯醌化合物反应生成相应的内酯。作者以Ket-1和Ket-2为底物分别与9,10-菲醌反应。实验结果表明，在室温下该反应可快速定量地合成相应的[4+2]环加成物Lact-1和Lact-2（Scheme 1A）。

（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）

紧接着，对该反应还原消除的可行性进行考察，作者用元素硫（单重态卡宾捕捉剂）处理Lact-1和Lact-2。实验结果表明，Lact-2在室温下反应16小时后即可生成Thio-2和Carbo-1，Lact-1必须在80 °C下加热16 h 才能得到Thio-1以及环状碳酸酯Carbo-1（Scheme 1B）。作者还研究了BiCAAC和CAAC与Carbo-1的反应，并观察到相应的螺内酯Lact-1和Lact-2（Scheme 1C）。这证明了该还原消除具有可逆性。

为了对该过程的非对映选择性进行探索，作者在室温下以C₆D₆作溶剂，将存BiCAAC与碳酸亚乙酯（Carbo-2）反应。¹H NMR分析显示得到非对映异构体Lact-3'和Lact-3（74:26）（Scheme 1D）。升高温度，该比例向热力学产物（Lact-3）反转。作者认为，邻苯醌化合物的非对映选择性来源于苯氧基阴离子更好的离去能力，这有利于形成o-Bet，从而可以抑制动力学非对映异构体的形成。

为了实现催化循环，作者以螺内酯为底物与一氧化碳进行反应（Scheme 1E）。反应需要在4 atm CO条件下Lact-1和Lact-2才能与CO发生反应得到羰基化产物，作者认为该反应过程依赖于CO压力。

（图片来源: J. Am. Chem. Soc.）

基于以上实验结果，作者提出可能的催化循环过程并进行了计算研究（B3LYP-D3/TZVP）（Scheme 2），作者对BiCAAC、CAAC和CAAC^Me三种卡宾进行计算，发现每种情况下烯酮以及螺内酯（Lact）的形成都是释放能量的，整个转变过程也是释放能量的。计算表明三种卡宾都可以进行还原消除，但使用大位阻的CAAC明显比使用BiCAAC和CAAC^Me容易得多。