圖1. Lewis酸堿之間單電子轉(zhuǎn)移

卡賓（carbene）因其特有的六電子排布以及二價(jià)的卡賓碳的獨(dú)特反應(yīng)性，作為一種重要的有機(jī)化學(xué)中間體得到了廣泛關(guān)注。1988年，Bertrand等人在卡賓碳兩側(cè)接上含磷和含硅的官能團(tuán)，得到了穩(wěn)定的卡賓化合物；1991年，Arduengo等人設(shè)計(jì)了氮雜環(huán)卡賓（N-heterocylic carbene, NHC），成功得到卡賓的單晶結(jié)構(gòu)。作為一種單線(xiàn)態(tài)卡賓，氮雜環(huán)卡賓同時(shí)具有良好的親核性和一定的親電性，其電子效應(yīng)可以通過(guò)比較前線(xiàn)軌道能量來(lái)判斷。HOMO能量越高，其給電子能力（親核性）越強(qiáng)；LUMO能量越低，其接受電子能力（親電性）越強(qiáng)（如圖2所示）。一般而言，氮雜環(huán)卡賓的親核性更為明顯，強(qiáng)親電性卡賓的設(shè)計(jì)也面臨諸多困難。近期，王新平課題組將強(qiáng)Lewis酸B(C6F5)3與含羰基的氮雜環(huán)卡賓結(jié)合，得到了一種新的穩(wěn)定卡賓結(jié)構(gòu)。Lewis酸的引入極大地提高了原有卡賓的親電性，使其具備更高的反應(yīng)活性，并首次實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定卡賓與乙烯分子的[2+1]環(huán)加成反應(yīng)。

圖2. 不同類(lèi)型卡賓的LUMO能量和S/T Gap能量對(duì)比圖。

由Bertrand等人開(kāi)發(fā)出的環(huán)烷胺基卡賓（cyclic (alkyl) (amino) carbene, CAAC，圖2）具有相對(duì)更低的LUMO能量和相對(duì)更高的HOMO能量，具有更好的反應(yīng)活性，但其親電性的提升并不顯著；Bielawski等人則設(shè)計(jì)出了一種N,N’-二酰胺基卡賓（N,N’-diamidocarbene, DAC，圖2），引入兩個(gè)羰基作為吸電子基團(tuán)以提高其親電性。但是，提高這兩類(lèi)卡賓的親電性與反應(yīng)活性均需要進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)潔有效的提高卡賓親電性的策略，將會(huì)對(duì)研究強(qiáng)親電性卡賓的性質(zhì)具有重要意義。

在該工作中，王新平課題組將BCF與DAC配位后，得到了一種全新的穩(wěn)定Lewis酸-卡賓雜化物結(jié)構(gòu)（圖3）。理論計(jì)算表明，卡賓的LUMO能量從與BCF配位前的-2.7 eV降低到-4.0 eV，單/三線(xiàn)態(tài)能量差也從配位前的31.3 kcal/mol降低到19.2 kcal/mol。DAC與BCF配位后，發(fā)生了分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移，不僅親電性得到了極大提高，反應(yīng)活性也有同步提升。雜化物中的Lewis酸通過(guò)與強(qiáng)堿Ph3P的反應(yīng)從BCF-DAC中解離，證明BCF的配位和解離形成雜化物可以具有一定的動(dòng)態(tài)特征（圖3）。

圖3. (A)卡賓BCF-DAC的可逆配位過(guò)程；(B)卡賓BCF-DAC的晶體結(jié)構(gòu)。

為了研究該卡賓與BCF配位前后反應(yīng)活性的影響，該課題組將DAC與甲苯、乙烯和乙炔進(jìn)行反應(yīng)。DAC在加熱至80 C 后24至48小時(shí)可以插入甲苯的芐基C-H鍵。加入BCF后，DAC僅需30分鐘即可在室溫下完成反應(yīng)，而使用更強(qiáng)的Lewis酸Al(ORF)3(ORF = OC(CF3)3) 則能讓該反應(yīng)的速率進(jìn)一步提升（圖4A）。類(lèi)似地，DAC與乙炔的[2+1]環(huán)加成反應(yīng)的完成時(shí)間從10小時(shí)減少到2小時(shí)（圖4B）。更引人注目的是，DAC即使在加熱時(shí)也不會(huì)與乙烯反應(yīng)，但在加入BCF后，常溫常壓下即可與乙烯發(fā)生[2+1]環(huán)加成反應(yīng)（圖4C）。由于其優(yōu)異的親電性，該雜化物成為首個(gè)能夠直接與乙烯反應(yīng)的穩(wěn)定卡賓。所有產(chǎn)物均通過(guò)單晶X射線(xiàn)衍射（圖5）和核磁共振等手段進(jìn)行了表征。

圖4. DAC及其與Lewis酸雜化物分別與甲苯、乙烯和乙炔的反應(yīng)

圖5. 相關(guān)反應(yīng)產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)

此外，BCF可以通過(guò)添加給電子能量較強(qiáng)的溶劑（如CH3CN）從產(chǎn)物中去除，以便柱層析分離產(chǎn)物（如圖6所示）。將圖4所示的反應(yīng)（即BCF+DAC+底物）以一鍋法進(jìn)行后直接加入CH3CN淬滅，分離得到產(chǎn)物的產(chǎn)率為68-72%，這證明DAC與BCF是充分反應(yīng)、充分結(jié)合的。

圖6. 相關(guān)產(chǎn)物與乙腈的反應(yīng)

DAC的親電性可以通過(guò)與不同的Lewis酸配位來(lái)調(diào)節(jié)。在B3LYP/6-31G(d)計(jì)算精度下，Lewis酸-DAC雜化物的LUMO能量（單位：eV）依次排序?yàn)椋?span style="box-sizing: border-box !important; padding: 0px; max-width: 100%; font-family: 微軟雅黑, "sans-serif"; overflow-wrap: break-word !important;">B(C6F5)2H (-3.91) < BCF (-4.00) < B(C6F5)2Cl (-4.12) < BCl3 (-4.13) < AlCl3 (-4.24) < Al(ORF)3 (ORF= OC(CF3)3) (-4.25) < BBr3 (-4.26)。由計(jì)算結(jié)果可知，BBr3的酸性最強(qiáng)，其與DAC雜化物的親電性也最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，甲苯與Al(ORF)3-DAC雜化物的反應(yīng)比BCF-DAC雜化物快得多（如圖4A和圖5B所示），這與LUMO能量順序一致。類(lèi)似的行為發(fā)生在不同Lewis酸與DAC的雜化物與乙烯（BCF為8h，Al(ORF)3為2h）和乙炔（BCF為2h，Al(ORF)3為0.5 h）的反應(yīng)中。然而，像BBr3這樣的體積較小的路易斯酸可能會(huì)與DAC的卡賓碳發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)。體積較大和商業(yè)化的BCF固體Lewis酸，是該策略中的首選。

綜上所述，本工作將DAC卡賓與強(qiáng)Lewis酸配位，在不改變卡賓本身結(jié)構(gòu)的情況下，大大增強(qiáng)了卡賓的親電性，并賦予該雜化卡賓以獨(dú)特的反應(yīng)活性，使其能夠以更快的速度活化惰性化學(xué)鍵和小分子。更重要的是，在該策略的指導(dǎo)下，穩(wěn)定卡賓首次實(shí)現(xiàn)了與乙烯的[2+1]環(huán)加成反應(yīng)。卡賓的親電性在理論上可以通過(guò)改變Lewis酸的種類(lèi)加以調(diào)控，而產(chǎn)物中的Lewis酸片段則可以通過(guò)添加強(qiáng)堿消除。利用這種策略對(duì)更多惰性小分子的活化與轉(zhuǎn)化反應(yīng)研究成果正在整理和投稿之中，敬請(qǐng)關(guān)注。

相關(guān)工作近期發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）。文章的第一作者為博士研究生裴潤(rùn)博，通訊作者為王新平研究員。本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院率先行動(dòng)計(jì)劃、南京大學(xué)、中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所、配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和金屬有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。謹(jǐn)以本文祝賀戴立信院士百歲華誕。