1、毕业 论文文献综述 应用化学 氮杂卡宾对二异丙基碳二亚胺的活化 1.1 概述 氮 杂环卡宾 (N-heterocycle carbene， 简称 NHC)，是一类具有优良的给电子特性，能与金属形成反馈键的新型金属配体。 20世纪 50年代 Skell等人就开始了对卡宾的研究 1。1964年 Fischer等人将卡宾引入无机和有机化学中，金属卡宾在有机合成和大分子化学中得到了广泛的应用 2。 1991年 Arduengo等第一次成功分离得到游离的 氮 杂环卡宾 3，才引起人们的注意， 氮 杂环卡宾的金属络合物作为催化剂，开始得到广泛 应用。 1.2 氮杂环卡宾 1.2.1 氮杂环卡宾的分类及其结
2、构 根据环原子数不同，氮杂环卡宾可分为四元环、五元环、六元环和七元环的氮杂环卡宾 (如 图 1-1)4。 NNRRNNRRNNiP riP r图 1-1 分别为 五元环、六元环和七元环的氮杂环卡宾 最常见的是五元环氮杂环卡宾，根据五元环上那个氮原子的数目和位置不同又可以分为咪唑型氮杂环卡宾、咪唑啉型氮杂环卡宾、三唑型氮杂环卡宾和噻唑型氮杂环卡宾等 (如 图 1-2)5。 NNRRNNRRN NNRRNSR 1 图 1-2 分别为 咪唑型、咪唑啉型、三唑型和噻唑型氮杂环卡宾 氮杂环卡宾一般以单线态形式存在。由于结构的特殊性，性质比较稳定。氮杂环卡宾的电子结构 (如 图 1-3)。从图 1-3可看
3、出卡宾碳原子为 sp2杂化形式，其孤对电子处于 sp2杂化轨道上，可以与金属形成 键。邻近的两个 N原子 p轨道上的孤对电子通过共轭效应对卡宾碳原子的空 p轨道起到给电子作用；同时 N原子上的烷基取代基的推电子效应也能使其更加稳定。另外， C=C双键参与共轭也能够增加体系的稳定性，因此由咪唑形成的氮杂环卡宾是一个比较稳定的体系 6。 图 1-3 电子结构 稳定的氮杂环卡宾范围很广，包括：咪唑 -2-亚甲基、三唑 -3-亚甲基、噻唑 -2-亚甲基、咪唑啉 -2-亚甲基、二硼亚甲基、开链的二胺基亚甲基等 7，它们对有机金属和无机配位化学是一种非常有用的配体，不仅能与某些过渡金属 (低氧化态和高氧化
4、态 )配位，而且还能与主族元素如： Be、 S、 I 等配位。 1.2.2 氮杂环卡宾的合成 有关氮杂环卡宾合成方面的内容在这里对其做总结，主要的合成方法有以下几种8(如图 1-4)。 2 NNR RNNR RNNR RNNR RNNR RNNA d A dNNA dA dSO M eC6F5HC lC lNNA dA dN a / K8 0oC1 m b a rh e a tO 2 ( a ir )T H F ,r .t .N a H , T H Fc a t. D M S O图 1-4 氮杂环卡宾的合成方法 1.3 氮杂环卡宾的应用 1.3.1 氮杂环卡宾的反应性能 1.3.1.1与路易斯
5、酸生成加合物 氮杂环卡宾的反应活性非常高，几乎能与元素周期表中的所有元素进行反应；因为氮杂环卡宾本身的亲核性，那些稳定的卡宾能够与路易斯酸反应生成加合物 9。 游离卡宾和它的共轭酸在室温下质子的交换速度非常快，由 Arduengo等分离得到了双卡宾质子配合物 (如 图 1-5)。 NN NN NN NNM e sM e sM e sM e sM e sM e s M e sM e sHXHXX = P F 6 /C F 3 S O 3 图 1-5 双卡宾质子配合物 合成式 卡宾与 二苯基氯化磷反应生成磷咪唑盐 ， 进一步用 AlCl3处理生成另一种盐 (如 图3 1-6)。 NNiP riP
6、rPC lP hP h NNiP riP rPP hP hXX = C l/ A lC l3 图 1-6 卡宾与二苯基氯化磷 的 反应 式 卡宾容易和氧族元素反应生成稳定的高产率加合物 (如 图 1-7)。 NNM eiP riP rH NNM eiP riP rEE = O , S ,S e ,T eE图 1-7 卡宾与 氧族元素 的 反应 式 在四氢呋喃溶液中 ， 碘代五氟苯的存在下，卡宾和加合物处在一个平衡体系中 (如图 1-8)。 NNA dA dIC 6 F 5 T H FNNA dA dIF 5图 1-8 卡宾和加合物处在一个平衡体系中 1.3.1.2 与路易斯碱生成加合物 亲电卡
7、宾与路易斯碱相比给电子能力相对弱一些，这二者相互反应时，亲电卡宾从路易斯碱中得到部分电子生成正常的叶立德。研究比较少，这里也就不举例了。 1.3.1.3 与金属反应生成络合物 目前，大多数易获的稳定的配体来自咪唑及其衍生物，它们与金属形成的络合物主要应用于催化领域，但应用时间并不长。 Herrmann等人 1995年首次报道 NHCS与钯形成络合物，应用于 Heck reaction10，经过十几年的研究，它们在催化领域的 应用已相当广泛。在卡宾金属络合物领域的发展相对广泛，以下为一些特殊的反应例子。 卡宾与 2, 4, 6-三甲基酚锂反应生成二聚的卡宾 -锂络合物 (如 图 1-9)。 4
8、NN NNt-B ut-B ut-B ut-B uL i L iOOA rA r 图 1-9 卡宾 -锂络合物 氮杂环卡宾与钙、锶和钡的二胺衍生物反应生成的络合物 (如图 1-10)。 NNNNt- B ut- B ut- B ut- B uNNt- B ut - B uMN ( S iM e 3 ) 2N ( S iM e 3 ) 2 M N ( S iM e 3 ) 2 2 ( t h f ) 2 M = C a ,S r ,B a图 1-10 氮杂环卡宾与钙、锶和钡的二胺衍生物 的 反应 式 氮杂环卡宾几乎能与所有过渡金属反应生成相应的络合物，它们可以是 单卡宾、二卡宾、三卡宾或四卡宾络
9、合物。例如 ， 卡宾和 MR3(M= Eu, Y, La; R= tris( 2, 2, 6, 6-tetramethylheptane-3, 5-dionato) ) 反应生成络合物 (如 图 1-11)。 NNM eM eM eM eM R 3M = E u , Y , L aNNM eM eM eM eNNM eM eM eM eM R 3NNM eM eM eM eYNNM eM eM eM eM = YRRR图 1-11 氮杂环卡宾与过渡金属反应 除了以上反应， 2000年， Grubbs等人首先报道了均配型双氮杂环卡宾稳定的二价铁配合物的合成 11； 2005年， Amir Hov
10、eyda等人合成了铜的配合物，用于催化烯 烃的不对称烷基化反应 12； 2005年， H Robert, Crabtree等人合成了 NHC-Rh或 Ir的配合物，用于催化芳酮的硅氢化反应，有很高的活性 12。 1.3.2 氮杂环卡宾的催化性能 大自然能够在自然状态下生成结构非常复杂的化合物，这一直吸引着科学家们对这5 种神秘作用的研究。在 1958年， Breslow就认识到在众多酶催化反应中氮杂环卡宾作为亲核催化剂扮演着重要的角色。他的开创性工作告诉人们辅酶维生素 B1 7，天然产生的噻唑盐，在生物化学转化反应中起了至关重要的作用。这是最早的涉及到氮杂环卡宾 催化化学的研究 13。氮杂环卡
11、宾作为有机小分子催化剂在许多有机反应中表现出了很好的催化效果，如氮杂环卡宾可以催化不对称安息香缩合反应、 Stetter反应、醛与亚胺的反应、 , -不饱和醛与醛 /酮的反应、酮参与的安息香类型的反应、醛和醇的反应、芳基氟化物的酰基化反应，酯基交换反应以及聚合反应等 14，在这里不再做详细介绍。 由于卡宾特殊的配位能力，在许多关键的有机合成催化起着重要作用：如 C-H键的活化、 C-H、 C-C、 C-O和 C-N键的形成，氮杂环卡宾都能稳定和活化金属中心。氮杂环卡宾被看作膦配体的代替 和扩展，在一些有机金属催化反应方面，氮杂环卡宾作为配体已经取代了应用普遍的膦配体。氮杂环卡宾类的配体与有机膦
12、配体相比较，具有更好的金属键合能力以及更灵活多变的空间位阻和电子效应，并且易于制备；结构类型多样化；对热、水和空气稳定等 15。 1.4 氮杂环卡宾金属配合物的应用 以上提到了氮杂环卡宾与各种物质的反应，以及在催化其它反应上的重要作用；氮杂环卡宾除了自身非常活泼的反应性能外，更多研究的是以其为配体的络合物在重要反应中的应用。这些络合物主要以金属配体为主的络合物，而其它物质作为配体的络合物的研究还不是 很多。 1.4.1 氮杂环卡宾 金属配合物在碳碳多重键硅氢加成反应中的应用 氮杂环卡宾金属配合物是合成 Si-C键最经济、最有效的方法之一，也是合成硅烷偶联剂最直接、最经济、最有效、最绿色的方法。
13、而硅氢加成中最核心的部分是高性能 (高活性、高选择性、高稳定性 )催化剂的研究。 Peris等首次合成了一系列的单卡宾配位和双卡宾配位的 Rh-NHC配合物，并将这些Rh-NHC 配合物用于催化苯乙烯、乙炔苯和已炔的硅氢加成反应； 2006年， Peris等用相似的方法合成了双卡宾配位的 Rh-NHC配合物，并用于催化乙炔苯和已 炔与二甲基苯基氢硅烷和三乙氧基氢硅烷的硅氢加成反应，得到较好的炔烃的转化率 16。 1.4.2 氮杂环卡宾 金属配合物在酮硅氢加成反应的应用 贵金属 Rh、 Ir、 Ru以及过渡金属 Cu、 Zn都是有效的酮硅氢加成反应的催化剂，这些金属的氮杂环卡宾配合物对酮硅氢加成
14、反应具有显著的催化作用。 早在 1977年就有人将合成某种卡宾配合物作为苯乙酮硅氢加成的催化剂，到了 19966 年 Herrmann研究小组第一次合成具有手性结构的 NHC-Rh应用于芳酮的硅氢加成反应；Montgomery研究小组采用原位合成 NHC-Ni催化炔烃 与酮的硅氢加成反应，反应转化率和光学选择性都很高 17。 1.4.3 氮杂环卡宾 金属配合物在 Suzuki偶联反应的应用 由于氮杂环卡宾独特的富电子和位阻特性，在催化反应中能紧密的与金属 Pd配位，防止钯黑的产生， Pd-NHC键热稳定性高，避免了过量配体的加入。而且这些配体的富电子性提高了偶联反应的氧化加成速率，其大的空间位
15、阻提高了还原消除速率， N-杂环卡宾成为钯催化的 Suzuki偶联反应中最重要的配体之一。 1998年 ， 德国著名化学家 Herrmann等开始研究氮杂环卡宾钯的络合物对 Suzuki偶联反应的催化 活性，在特定碱性条件下，表现出较好的催化活性 18； 2008年， 韩国 Lee研究小组 19将氮杂环卡宾固载在两性高分子化合物上 ， 这种由 PS (聚苯乙烯 )、 PEG (己二醇 )、 NHC (氮杂环卡宾 )组成的聚合树脂与水有很好的兼容性，能与 Pd形成稳定的配合物催化剂 PS-PEG-NHC-Pd，在水溶液中能高效催化各种取代碘、溴代芳烃与苯硼酸的偶联反应，该催化剂表现出很高的活性，
16、催化剂循环使用 5次以上活性基本不变。 1.4.4 氮杂环卡宾 金属配合物在 Buchwald-Hartwig反应中的应用 Pd催化的 氮 芳基胺 化反应 (有人称 Buchwald-Hartwig反应 )的效率较 Ni和 Cu催化剂高，受到人们高度重视； 2007年有报道 20氮杂环卡宾环金属 Pd络合物的合成及其在Buchwald-Hartwig偶联反应中的应用，取得了较好的催化效果。 总之，氮杂环卡宾及其金属配合物在重要的一些合成反应中，起到了很大的作用，表现出了极高的催化性能；不过还需研究者们进一步地去思考深入发现，尤其是在非金属或者说有机小分子方向的研究，有待突破。 1.5 碳二亚胺
17、化合物 1.5.1 碳二亚胺化合物的性能与应用 碳二亚胺化合物分子结构中 的累积二烯结构使得碳二亚胺得化学性质非常活泼，不仅可以和许多酸性化合物反应，也可以和醇、胺及含活泼亚甲基等活泼氢一类化合物发生反应，而且反应条件温和、操作简便和收率高等。碳二亚胺化合物参与的化学反应动力主要来来自结构中 N=C=N双键的不饱和性，不如含有 N=C=O、 O=C=O、 S=C=S等基团的相似结构的化合物来得活泼；但作为一种良好的有机试剂，它在非催化条件下很稳定，而在催化条件下表现出很强的反应性 21。碳二亚胺化合物已被广泛用于杂环化合物的合成、聚合材料添加剂、生物化工、制药、工业染料中间体的合成以及 新型功
18、能性 (绝7 缘、阻燃 )材料的制造。 1.5.2 N, N-二异丙基碳二亚胺 N, N-二环己基碳二亚胺 (简称 DCC)是最早使用的碳二亚胺之一，大多用在多肽合成中的接肽一步。 DCC 作失水剂的反应产率很高，并且试剂的价格也不昂贵。但 DCC也有很多缺点限制了它的应用：副产物 N, N-二环己基脲不溶于水，一般用过滤除去，但仍有少量残留于溶液中，难以除净； DCC 不如其他固相接肽试剂方便，产物二环己基脲难以从多肽树脂上分离出来； DCC 会造成过敏 22。 N, N-二异丙基碳二亚胺 (简称 DIC)用作 DCC 的替 代品，与 DCC 相比有以下几点优势： DIC 具有较小的分子量和
19、较低沸点特点； DIC 为液态，更容易使用；产物 N, N-二异丙基脲可溶于大多数有机溶剂，很容易通过溶剂萃取除去， DIC 也因此常用在固态合成中； DIC 导致过敏的可能性较低。其结构式为 (如 图 1-12)： CN N C H C H 3C H 3 C HC H 3 C H 3 图 1-12 N, N-二异丙基碳二亚胺 结构式 综上所述，氮杂环卡宾的发展时间尽管比较短，但是凭借非常高的反应活性已在诸多化学反应中扮演十分重要的作用，尤其是在氮杂环卡宾的金属配合物合 成与催化研究方面报道较 多 。不过环己基氮杂环卡宾与有机小分子的研究较少，对于与 N, N-二异丙基碳二亚胺研究仍未见到报道
20、。本论文我们主要探索氮杂环卡宾对碳二亚胺的活化反应，即环己基氮杂环卡宾对异丙基碳二亚胺分子中的 N=C=N 双键活化，并对生成新的化合物并进行分离和表征检测。 参考文献 1 P Skell, S Sandler. Biosynthesis of methyl groups of choline from formalde hyde by liver PreParationsJ. J. Am. Chem. Soc., 1958, 80(8): 2024-2025. 2 E Fiseher. A Maasbol On the existence of a tungsten arbonyl carb
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