| 直链烷基苯（LAB）也称为洗涤剂用烷基化物，在表面活性剂、乳化剂、洗涤剂及其他精细化学品的生产中具有重要的应用。在工业化生产中，这类化合物通常从C10-C13的正构烷烃出发，在脱氢催化剂的作用下形成相应的末端单烯烃，随后将其与苯混合，在经HF或H2SO4催化得到最终的烷基化产物。不过，烷基化过程涉及烷基碳正离子中间体的形成，该物种不可避免地会发生重排，由此产生支链烷基苯副产物。相比之下，支链烷基苯作为原料制备的表面活性剂、洗涤剂等不仅功效欠佳，也很难进行生物降解，其废水排放到外界环境中还会带来严重的污染。过渡金属催化烯烃的反马氏（anti-Markovnikov）氢芳基化过程可用于构建相应的直链烷基苯，相比于传统的亲电加成过程选择性更好，也可以有效避免碳正离子物种重排。但这类反应大多需要导向基团参与，非活化的烯烃与非活化的芳香烃反应控制选择性存在一定的困难。目前，人们已实现了Ir、Ru、Pt等贵金属催化剂作用下苯对丙烯的反马氏氢芳基化过程，但反应的区域选择性较差，正丙苯与异丙苯的比例几近1:1。美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的T. Brent Gunnoe教授团队还发展了一种两步法合成直链烷基芳香烃的过程，芳香烃与末端单烯烃在Rh催化下发生氧化烯基化得到烯基芳香烃，随后氢化得到目标产物。此时正构烷基苯的选择性得到大幅度提高，但反应涉及两步转化，与此同时还需加入CuOAc、CuOPiv等Cu盐作为助催化剂，体系较为复杂。▲以往发展的过渡金属催化非活化芳香烃对非活化烯烃的氢芳基化（图片来源：参考资料[1]）▲T. Brent Gunnoe教授团队报道的两步法合成直链烷基芳香烃（图片来源：参考资料[2]）最近，美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的John F. Hartwig教授研究团队在以往发展的Ni催化体系的基础上，首次利用廉价的第一行过渡金属催化剂完成了非活化芳香烃对非活化烯烃的氢芳基化，其关键在于催化过程中引入空间位阻较大的氮杂环卡宾（NHC）L4作为配体，反应能以优异的区域选择性得到反马氏加成的直链烷基芳香烃产物。相关工作发表在Nature旗下子刊Nature Chemistry上。▲图片来源：参考资料[1]以往报道的无导向基团参与过渡金属催化烯烃的氢芳基化反应选择性主要依靠催化过程中形成的金属-芳基键对烯烃的区域选择性插入进行控制。要想高选择性得到直链烷基苯，则需确保催化过程中极大倾向地形成相应的支链烷基金属中间体，但相比于直链烷基金属物种，该中间体更加不稳定。除此之外，插入过程还会受到芳香烃及烯烃本身空间位阻及电子特性的影响，导致氢芳基化的区域选择性控制十分具有挑战性。John F. Hartwig教授团队在以往的研究中通过Ni催化体系实现了非活化烯烃对贫电子芳香烃及杂芳香烃的高选择性氢芳基化，反应无需导向基团参与，最终主要得到直链烷基芳香烃。烯烃底物不仅可以选择末端烯烃，内烯烃同样可通过链行走（chain-walking）过程得到目标产物。高选择性得到直链烷基芳香烃的关键在于反应中无需通过传统的氧化加成过程形成相应的氢化镍物种，因而可有效得到支链烷基镍中间体，加上还原消除时其活化能垒较低，因而可从动力学上扭转此前不易形成直链烷基芳香烃的局面。不过，该催化体系仅适用于活化芳香烃，非活化芳香烃参与催化循环时循环能力较差。为此，作者进一步尝试将这种氢芳基化过程拓展至非活化芳香烃。他们首先以Ni(COD)2作为预催化剂，氮杂环卡宾（NHC）IPr（L1）作为配体，考察苯（1）对1-癸烯（5）进行氢芳基化的反应情况。反应能以19:1的高区域选择性得到直链烷基苯产物，但转换数（TON）十分不理想，并且可重现性差。他们又选择[L1-Ni(η6-C6H6)]配合物作为催化剂前体，并加入催化剂负载量的NaH与Na(acac)，反应的可重现性有所改善，但仅能以痕量的产率得到目标产物。作者进一步对不同结构的氮杂环卡宾配体进行筛选，当使用L4或L5作为配体时，反应均能以良好的收率得到直链烷基苯产物，选择性高达>50:1。▲不同配体参与反应的效果（图片来源：参考资料[1]）随后，他们对芳香烃及烯烃底物的适用范围进行考察。该催化体系对贫电子及富电子的芳香烃均适用，与此同时具有良好的官能团兼容性。无论使用末端烯烃还是内烯烃参与反应，苯对一系列不同结构的非活化烯烃进行氢芳基化均能以良好至优秀的收率得到直链烷基苯产物，区域选择性均>50:1。▲底物适用范围的考察（图片来源：参考资料[1]）作者进一步探究配体L4与L5缘何能提高催化剂的催化活性。L4与L5的空间位阻更大，导致[L-Ni(η6-C6H6)]中NHC的C与C6H6严重偏离线性构型，也便减弱了C6H6对Ni金属中心的配位作用，提高其催化活性。为此，他们还通过计算不同配体的掩埋体积百分比（%VBur）及热椭圆形点（ORTEP）图来比较其空间位阻大小。▲不同配体的%VBur及ORTEP图（图片来源：参考资料[1]）他们设计了核磁共振波谱及X射线晶体衍射分析等一系列实验确定催化剂的休眠态与反应的决速步骤，并借助动力学实验确定了催化循环中的各个基元反应。休眠状态下，空间位阻小的烯烃可对Ni催化剂两分子配位，位阻大的烯烃参与反应时体系中存在配体苯对Ni金属中心配位与烯烃对其配位的化学平衡。参与催化反应时，一分子烯烃与一分子芳香烃分别对Ni催化剂配位，并发生配体间氢转移、异构化形成烷基苯基镍中间体，这些过程均是可逆的。烷基苯基镍中间体进一步还原消除并配体交换，完成催化循环，其中还原消除为整个催化过程的决速步骤。▲催化剂休眠态的探究（图片来源：参考资料[1]）▲动力学分析实验（图片来源：参考资料[1]）▲理论计算分析（图片来源：参考资料[1]）最后，作者还利用理论计算分析催化过程中催化剂与底物的相互作用情况，证实了L4并非仅依靠传统意义上的空间位阻因素加速反应中的还原消除过程，还借助L4中多组芳基产生有利的静电相互作用及甲基产生有利的伦敦色散力与较低的畸变能等非共价相互作用来达到这一目的。John F. Hartwig教授团队通过进一步研究完善了芳香烃对烯烃的氢芳基化反应，尽管只是底物的适用范围得到拓展，但实际意义重大。作者认为，配体L4之所以能显著提高Ni催化剂的活性，不只是因为受到传统意义上空间位阻的影响，还涉及其他非共价相互作用。这一发现对合理设计催化剂具有重要的指导意义，可为探索其他类型的过渡金属催化反应提供新的思路。参考资料[1] Noam I. Saper et al., (2020). Nickel-catalysed anti-Markovnikov hydroarylation of unactivated alkenes with unactivated arenes facilitated by non-covalent interactions. Nat. Chem., DOI: 10.1038/s41557-019-0409-4[2] Michael S. Webster-Gardiner et al., (2017). Catalytic Synthesis of “Super” Linear Alkenyl Arenes Using an Easily Prepared Rh(I) Catalyst. J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b01165 |
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