含氟不对称N-杂环卡宾配体的Hoveyda–Grubbs型烯烃复分解催化剂

《European Journal of Inorganic Chemistry》：A Hoveyda–Grubbs-Type Olefin Metathesis Catalyst Bearing a Fluorinated Unsymmetrical NHC Ligand

　　

研究人员合成并全面表征了一种新型第二代Hoveyda–Grubbs型钌配合物，其带有含N-环己基、N'-邻二氟苯基取代基且骨架带syn-苯基的不对称N-杂环卡宾(unsymmetrical N-heterocyclic carbene, uNHC)配体。研究人员评估了该配合物在代表性关环复分解(Ring-Closing Metathesis, RCM)、交叉复分解(Cross-Metathesis, CM)及开环复分解聚合(Ring-Opening Metathesis Polymerisation, ROMP)反应中的催化性能，并与非氟代类似物进行了比较。氟原子的引入通过改变NHC配体的空间与电子性质，影响所得配合物的稳定性及催化性能。在RCM反应中，氟代催化剂较非氟代对应物表现出更高的活性；而在CM反应中，两种催化剂表现出相近的活性与选择性。在降冰片烯与顺式环辛烯的ROMP共聚中，氟代配合物在形成交替共聚物时表现出较低的化学选择性。

论文解读：含氟不对称N-杂环卡宾配体的Hoveyda–Grubbs型烯烃复分解钌催化剂的研究

烯烃复分解(Olefin Metathesis)是构建碳—碳双键的重要方法，钌卡宾配合物特别是含N-杂环卡宾(N-heterocyclic carbene, NHC)配体的Hoveyda–Grubbs第二代催化剂(HGII)因空气/水分稳定性好、官能团耐受性强而被广泛应用。通过修饰NHC配体骨架构型(syn/anti)及N-取代基(如不对称N-烷基/N'-芳基 uNHC)可调控催化剂的稳定性、活性和选择性。氟原子引入NHC芳基取代基可调节配体电子效应(吸电子)与空间位阻，并可能通过Ru–F相互作用影响催化行为，但含氟不对称NHC(uNHC)的钌烯烃复分解催化剂尚缺乏系统研究。为此，研究人员设计合成了以N-环己基-N'-(邻二氟苯基)取代、骨架为syn-二苯基咪唑啉型uNHC配体的新型Hoveyda–Grubbs二代钌配合物(配合物 1)，并以已报道的同骨架非氟代N-环己基-N'-均三甲基苯基(mesityl)配合物(配合物 2)及商品化HGII为对照，系统考察氟取代对配合物结构、热稳定性及在RCM、CM和ROMP中催化行为的影响，相关成果发表于European Journal of Inorganic Chemistry。

主要关键技术方法

研究人员以商业化meso-1,2-二苯基乙二胺为起始原料，经Buchwald–Hartwig偶联引入1-溴-2,6-二氟苯(得中间体A)、与环己酮还原胺化(得中间体B)、与原甲酸三乙酯/NH₄BF₄环合制得氟化uNHC前体盐(C)；再于惰性气氛下用叔戊醇钾脱质子原位生成游离卡宾，与Hoveyda–Grubbs一代催化剂(RuCl₂(=CH-o-iPrO–Ph)(PCy₃))在CuCl存在下发生配体交换得到目标钌配合物 1(产率43％)。采用¹H/¹³C/¹⁹F NMR、MALDI/ESI-FT-ICR质谱进行结构确证；通过C₆D₆溶液中60°C恒温¹H NMR追踪监测热分解以评价热稳定性；测定uNHC前体盐的¹J_CH耦合常数评价NHC σ-给电子能力；采用DFT(M06/DefTZVPP/GD3(benzene)//BP86/Def2SVP)计算最稳定几何构型、相对能、NHC解离能(BDE_NHC)及Natural Bond Orbital(NBO)自然电荷；催化性能测试包括不同位阻底物的RCM(以C₆D₆, 60°C, ¹H NMR在线监测)、标准及生物基底物的CM(CH₂Cl₂/甲苯, 40°C)、降冰片烯(NBE)与顺式环辛烯(COE)等摩尔比ROMP共聚(CH₂Cl₂, 30°C, 0.1 mol%催化剂, 2 min)，共聚物交替二单元组比例由¹³C NMR定量，分子量及分布由THF-GPC(以聚苯乙烯标样校正)测定。

研究结果

2 Results and Discussion

NMR显示配合物 1 在C₆D₆中以单一旋转异构体存在，NOESY及DFT表明N'-邻二氟苯基芳环位于苄叉(Ru=CH–Ph)上方的最稳定取向(1a)能量最低，未观察到稳定的Ru–F相互作用。DFT给出配合物 1 的NHC解离能BDE_NHC＝78.3 kcal/mol，低于配合物 2(83.5 kcal/mol)；NBO分析显示氟代后Ru中心自然电荷变化不大，Ru–C_NHC键强度减弱主要来自共价作用部分降低。前体盐C的¹J_CH＝208 Hz高于配合物 2 对应前体盐(203 Hz)，证实氟代NHC配体σ-给电子能力降低、π-受电子能力增强。热稳定性测试中 1 于60°C、氮气下C₆D₆溶液一周内保留＞77％，与HGII相当但弱于可稳定保存一月以上的配合物 2，这与较弱Ru–C_NHC键及较低σ-给电子能力相符。

在RCM反应中：二烯丙基丙二酸二乙酯(3)于60°C、1 mol%催化剂下，配合物 1 在15 min达完全转化，配合物 2 于60 min仅89％；位阻更大的烯丙基(甲基烯丙基)丙二酸二乙酯(5)中 1 于20 min定量转化而 2 为60％(60 min)；高位阻二(甲基烯丙基)丙二酸二乙酯(7)在5 mol%下 1 达36％转化，2 无转化，HGII仅13％；天然产物(±)-芳樟醇(linalool, 9)的RCM中 1 于30 min完全转化，2 为90％(60 min)。综上，氟代uNHC催化剂在RCM中活性显著高于非氟代同骨架催化剂，归因于N'-邻二氟苯基较小空间位阻及弱化Ru–C_NHC键促进活性物种生成，而非Ru–F配位。

在CM反应中：烯丙苯(11)与顺式-1,4-二乙酰氧基-2-丁烯(12)的标准CM及生物基底物乙酸丁香酚酯(15)的自CM与和顺式-1,4-二氯-2-丁烯(17)的交叉CM中，配合物 1 与 2 活性和E/Z选择性相近；与HGII相比二者活性略低但Z选择性更高。仅在 15 与 17 的CM中 1 产率(70％)略高于 2(54％)和HGII(50％)，Z选择性略降，总体氟效应对CM影响有限。

在ROMP共聚中：NBE与COE等摩尔共聚(0.1 mol%催化剂, 30°C)，配合物 1 所得共聚物交替NBE–COE二单元组仅32％，明显低于配合物 2 的78％，但高于HGII(16％)；配合物 1 均聚NBE段比例较高(53％ vs 22％)，分子量M_n＝3.5×10⁵，?＝2.06。降低的交替倾向归因于N'-邻二氟苯基比N'-mesityl空间位阻小，削弱了uNHC配体两侧N-取代基的不对称性，从而减弱了化学选择性控制。

总结与结论翻译

本研究报道了一例带有含N-环己基/N'-邻二氟苯基取代基及骨架syn-苯基uNHC配体的新型Hoveyda–Grubbs二代钌配合物(配合物 1)的合成与表征。实验与理论结果表明，氟取代降低了uNHC配体相较于非氟代syn-取代N-环己基-N'-mesityl NHC的σ-给电子能力，解离能分析显示氟代配合物中Ru–C_NHC键较弱，前体盐¹J_CH耦合常数亦证实其σ-给电子性下降。该新配合物在各类RCM反应中较非氟代类似物活性提高，表明空间与电子因素共同促成催化性能提升；与既往氟代Hoveyda–Grubbs催化剂报道不同，本研究未观察到Ru–F相互作用参与。CM反应中两催化剂无显著差异，而在NBE与COE的ROMP交替共聚物合成中化学选择性差异明显，可用空间效应解释——氟原子较甲基空间位阻小，降低uNHC配体两侧区分度致选择性下降。未来通过对N-烷基及N-氟代芳基取代基的系统改变，有望深入揭示骨架取代uNHC钌催化剂中空间与电子效应的协同作用，实现催化性能的精细调控。