钨（W），凭借其较高的硬度、良好的导电性和导热性以及较小的膨胀系数等特性，被广泛应用于合金、电子、化工等领域。除此之外，钨也可作为催化剂来催化化学反应，例如：固定氧化态的高价钨（如+6）可催化烯烃和炔烃复分解以及聚合反应（图1a），而低价钨则具有氧化还原的潜力，因此能实现金属有机化学中的基元反应（即氧化加成和还原消除）。目前，化学家利用化学计量的低价钨实现了去芳构化和烯烃加氢官能团化，但其氧化还原催化仅限于烯烃异构化、氢化和烯丙基取代（图1b）。如图1c所示，在W(0)/W(II)氧化还原循环中，金属钨可实现六配位八面体和非规则七配位几何构型之间的互变，同时理论和实验研究表明七配位的W(II)或Mo(II)易发生迁移插入和还原消除，这是由于配体的空间位阻和非键合相互作用所致。
图1. 钨的反应性以及异构-羰基化反应的概述。图片来源：Nat. Chem.
烯烃异构化/加氢甲酰化是现代化工中最重要的均相催化反应之一，其区域选择性通常是由热力学决定的，并在最稳定的烷基金属中间体上发生官能团化得到线性或α-官能团化产物，但却无法实现给定分子的官能团化（图1d）。近日，美国斯克里普斯研究所的Keary M. Engle教授与美国匹兹堡大学的刘鹏（Peng Liu）教授等研究者在Nature Chemistry 发表文章，使用简单的W(0)预催化剂W(CO)6催化烯烃异构化到未活化的内部位置以及后续与CO的氢羰化反应（图1e）。W(0)/W(II)氧化还原循环中六配位至七配位几何构型变化和构象柔性的导向基团是其中关键。
图2. 条件筛选。图片来源：Nat. Chem.
首先，作者以烯基羧酸衍生物1为模板底物，于150 ℃下使用化学计量的W(CO)6对不同的导向基团进行了探索（图2），结果显示NH-Pic (Pic = 2-picolinyl)导向基团（DG4）能以接近定量的收率（97%）获得单一的区域异构体——产物2。鉴于W(CO)6在紫外灯照射下易解离CO，因此作者在室温、氩气气氛下使用化学计量的W(CO)6 于450 W紫外灯照射下进行反应，能以71%的收率获得所需产物2；若使用催化量（20 mol%）的W(CO)6也可实现这一转化，但将其置于CO中时，反应几乎无法进行，这可能是由于室温下溶液中相对高浓度的CO导致催化剂配位饱和并抑制底物缔合。进一步的筛选发现在加热条件（150 °C）和1 atm的CO中，使用20 mol%的W(CO)6便可以93%的收率获得所需产物，而其它金属配合物（如：Mo(CO)6、Cr(CO)6、Fe(CO)5）的反应效果却较差。值得注意的是，尽管Mo、Cr与W在一定程度上具有类似的反应性和配位化学性能，但是Mo和Cr体系会产生黑色固体沉淀，从而导致催化剂失活。
图3. 底物拓展。图片来源：Nat. Chem.
在最优的反应条件下，作者对底物的兼容性进行了考察（图3），结果显示含有末端烯烃和α-单取代的γ,δ-不饱和酰胺均能以中等至较好的产率和中等的非对映选择性（2.3-3.0 dr）获得相应产物（2b-2c、2e），特别是(S)-烯丙基甘氨酸衍生物（2e）能以高对映选择性（98% e.e.）获得主产物，而次产物的对映选择性为52% e.e.，这表明动力学上有利的cis-产物差向异构化为热力学稳定的trans-产物。此外，α,α-双取代烯烃（2d）、1,1-和1,2-二取代烯烃（2f、2h）、伯烷基氯（2i）或末端烯烃远端含有双键的底物（2j）均能兼容该反应，以中等至良好的收率获得所需产物。值得一提的是，环外烯烃（2k-2o）、环内烯烃（2t-2w）甚至共轭烯烃（2q-2s）都能实现选择性烯烃异构化/官能团化反应，并以中等至较高的收率和非对映选择性获得所需的羰基化产物。另一方面，作者还探究了烯烃异构化/羰基化与烯烃位置的关系，结果显示无需初始异构化（2x）或在单一位置异构化（2a）的底物能以>90%的收率获得产物，特别是产物2a还能以5 mmol规模进行制备（951 mg，收率：89%）；但随着烯烃位置越远收率逐渐降低，71%（2g）→6%（2h），这可能是由于烯烃定向异构化中活化熵增加和选择性非定向途径缓慢所致。最后，作者对立体控制烯烃异构化/羰基化的手性导向基进行了探索，结果显示在苄基碳上引入甲基（DG7）能以5:1 d.r.值和82%的产率获得所需产物，而在催化条件下使用市售的对映纯(S)-DG7作为导向基团时，能以75%的产率和5:1 d.r.值获得产物2aa（两种非对映异构体，e.e.>99%）。
图4. W(II)中间体的合成和反应性探索。图片来源：Nat. Chem.
为了探究中间体钨的氧化态和配位结构，作者进行了一系列实验（图4）。首先，从W(MeCN)3(CO)3与底物（1xa）出发直接合成有机金属中间体，但1H NMR仅检测到产物（2x）和未反应的起始原料（1xa）。为此，作者利用烷基碘化物SM-1与W(MeCN)3(CO)3的氧化加成来制备模型配合物W-1（在溶液中能稳定存在数天），再在AgOTf和KOtBu/18-crown-6的作用下发生迁移插入和还原消除，以高产率（76%）得到所需产物P-1（图4a），也可在加热（150 ℃）条件下促进W-1的迁移插入和还原消除。由于W-1中间体无法结晶，因此作者依据类似的合成方法来制备W-2和W-3，接着在AgOTf、KOtBu/18-crown-6和PMe3（阻止迁移插入和还原消除）体系下获得可分离的配合物W-3'，X-射线衍射分析显示导向基团以酰胺化物形式与钨金属结合（图4b），证明了这种配位模式的可行性。
图5. 机理研究和氘代实验。图片来源：Nat. Chem.
接下来，作者对烯烃异构化的反应机理进行了相关研究，在底物拓展中发现氨基酸底物（2e）的α-位立体化学保持且α,α-二取代底物进行反应时获得产物（2d），这表明羰基化反应可能通过β,γ-不饱和异构体进行，而将巴豆酰胺（1xb）置于标准条件下进行反应时，粗产物1H NMR观察到<10%的产物23，排除了羰基化是通过α,β-不饱和酰胺进行的。随后，作者对三种不同烯基位置和不同取代模式的底物（1xa、1gb和1ga）进行了氘代实验（图5a），结果显示远端的氘代率为82-96%，证实了钨进行N-H键氧化加成和W(II)-H键插入烯烃的可行性。此外，底物1g-d3在标准条件下进行的反应表明烯烃异构化是单向的（图5b，顶部）；而底物1a-d2在标准条件下进行反应时，产物中γ-亚甲基处的氘代率为0.50 D，δ-甲基的氘代率为0.30 D（图5b，底部），这些结果表明1,3-和1,2-氢迁移可能同时发生，但主要是1,2-氢迁移。
图6. 计算化学的研究。图片来源：Nat. Chem.
最后，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算并提出了可能的反应机理（图6）：首先，六配位W(0)配合物（I-1）发生N-H键氧化加成得到七配位W(II)-H物种（I-2），随后经金属氢化物插入（TS2）、内环β-H消除（TS3）和金属氢化物再插入（TS4）形成更稳定的五元金属环（I-5），然后与另一分子CO配位得到七配位中间体（I-6），接着经过渡态（TS5）进行CO插入并与另一分子CO配位后得到七配位W(II)物种（I-7），最后经低能垒过渡态（TS6）进行C-N键还原消除便可得到所需产物和W(0)物种。需要指出的是，作者发现1,3-氢迁移在动力学上不太有利，也就是说，1,2-氢迁移是异构化的主要机制，而1,3-氢迁移对反应也有微小贡献。此外，氘标记底物1g-d3和内烯烃1gb的实验结果表明烯烃异构化是单向的，并且单向烯烃异构化与内部烯烃π-配合物（I-4）比末端烯烃配合物（I-2）的稳定性更高相一致。
总结
与传统工业羰基化工艺相比，Keary M. Engle教授利用低价钨氧化还原实现了烯烃的异构化/羰基化串联反应，尽管使用化学计量的添加剂和相对较高的催化剂负载量严重阻碍了该方法的应用，但是W(0)与弱Lewis碱性基团形成稳定的加合物可为具有天然官能团的烯烃定向异构化/官能团化带来不错的应用前景。此外，氘代实验和DFT计算结果为W(0)/W(II) 催化过程以及产物的高区域选择性给出了合理的解释。
Low-valent tungsten redox catalysis enables controlled isomerization and carbonylative functionalization of alkenes
Tanner C. Jankins, William C. Bell, Yu Zhang, Zi-Yang Qin, Jason S. Chen, Milan Gembicky, Peng Liu & Keary M. Engle
Nat. Chem., 2022, 14, 632–639, DOI: 10.1038/s41557-022-00951-y
（本文由吡哆醛供稿）
| 留言与评论（共有 0 条评论） “” |
