Ruben Martin是西班牙有機化學家，長期從事過渡金屬（特別是鎳）催化的惰性化學鍵的活化，包括羧化反應、脫羧反應以及C-O鍵斷裂及相應轉化。2017年，Ruben教授實現了chain-walking型別的遠端C-H鍵羧化反應，相關工作發表於Nature中。在該篇工作中，鏈上任意的烷基溴在反應中透過多次β-H消除和烯烴插入的過程，移動到端位或更加穩定的C-Ni鍵處，繼而發生羧化反應. 近日，Ruben Martin課題組再發Nature Catalysis，從分子水平“破譯”Zn(Ⅱ)在芳基酯sp2 C-O鍵功能化催化中的二分法Ni催化芳基酯和芳基鋅形成C-C的機理, 下面進行詳細介紹。

通訊單位：The Barcelona Institute of Science and Technology, Spain；Universitat Rovira i Virgili，Spain

DOI: 10.1038/s41929-020-00560-3

背景介紹

從簡單和容易獲得的苯酚衍生前體出發，以鎳催化的強sigma C–O鍵功能化來獲取C-C鍵,已成為一種創新的選擇。然而，這些方法在機理方面理解還不夠深入。

本文亮點

本文提供了Ni催化劑如何使芳基酯和芳基鋅之間形成sp2-sp2鍵的機理知識。透過提供可靠的途徑，使芳基酯的單核氧化加成物種進入帶有κ1-或κ2-O結合模式的單齒膦的Ni（0）絡合物。

在研究這些配合物的反應性和分解途徑時，我們揭示了鋅（Ⅱ）鹽引起的寄生配體清除、氧化和NiZn團簇的有趣二分法。

本文提供了配位溶劑和配體破壞這些過程的證據，從而為設計更有效的鎳催化反應提供了基礎，併為揭示相關過程的機理複雜性提供了有用的切入點。

圖文解析

根據大量的文獻報道，鎳催化作為一種快速可靠地從簡單易得的前驅體中建立分子複雜性的手段，已經獲得了相當大的發展勢頭。不同於它的第10族同系物，鎳可以實現單電子反應，並填充Ni（Ⅰ）和/或Ni（Ⅲ）路徑，從而形成新的C-C和碳雜原子鍵。此外，鎳催化劑的優點還表現在啟用Pd或Pt體系無法觸及的強σ-鍵。如，雖然芳基磺酸鹽偶聯劑的使用在鈀催化中是常規的，但是芳基酯中更強的sp2 C-O鍵的功能化只有在鎳催化領域才有可能。利用非常規的，但現成的，酚親電試劑來代替常用的芳基鹵化物打開了一系列具有未開發合成潛力的轉化的途徑(圖1a)。

圖1、芳基sp2碳氧鍵的催化功能化。

氧化加成配合物的合成與表徵

作者設想了一條從(PCy3)2NⅡ(aryl)Cl透過陰離子複分解製備I的路線，透過適當的芳基氯氧化新增到Ni(0)製備配合物(圖2a)。圖2中描述的複分解反應是單核κ1-O氧化加成複合物的可行合成路線；然而，在催化條件下，此類複合物將透過Ni（0）複合物和芳基酯之間的反應形成。因此，作者在室溫下將Ni（0）源[Ni（PCy3）2]2N2與C6D6中的鄰甲苯基新戊酸反應（圖2b）。

圖2、 單齒配體負載Ni（0）單核和雙核芳香酯氧化加成物的合成。

作者接下來研究了氧化加合配合物(PCy3)nNi(Ⅱ)(芳基)OPiv的穩定性。透過下圖中的實驗表明，芳基酯的單核氧化加成絡合物可以不生成歧化反應生成Ni(Ⅰ)絡合物，這是催化劑失活的一個症狀。

圖3、 羧酸Ni(Ⅰ)配合物的合成。

闡明鋅對催化轉化率的影響

作者發現在ZnCl2存在下，將鄰甲苯基新戊酸鹽暴露於[Ni（PCy3）2]2N2的THF-d8溶液中，在延長反應時間後，導致鄰甲苯基新戊酸鹽沒有轉化（圖4a），這表明Ni（0）前體與ZnCl2相互作用。

圖4、揭示Ni(0)和Zn(Ⅱ)的分子相互作用。

與這些觀察結果一致，透過將ZnCl2與5a或11反應，發現Ni-Cl對應物4a/9和Zn（ii）絡合物13/14，從而證實存在大量配體從Ni（Ⅰ）或Ni（Ⅱ）螯合到Zn（圖5）。事實上，這些現象可能已經在鎳催化的交叉偶聯反應中經常遇到，但尚未被認識到，其中鋅通常以化學計量的量被用於觸發氧化還原過程。

圖5、 闡明ZnCl2對Ni(Ⅰ)和Ni(Ⅱ)配合物的影響。

明確Ni(Ⅱ)配合物的轉金屬作用

作者發現負離子與ZnCl2的複分解可能發生在C-C鍵形成之前。為了研究這一點，作者研究了5a與PhZnCl的反應性(圖6a)。有趣的是，透過NMR仔細監測5a與0.50當量PhZnCl·LiCl的反應表明，15(37%)和大量4a的形成。儘管額外的PhZnCl·LiCl最終導致完全轉化為15，但尚不清楚轉移是否主要透過4a或5a發生。因此，作者研究了在沒有ZnCl2的情況下是否可以發生轉移。將5a或8暴露於Ph2Zn導致乾淨的二芳基形成（15和16），從而證實在沒有來自κ1-或κ2-酯中間體的滷代Zn（Ⅱ）鹽的情況下轉化的可行性（圖6b）。儘管Zn(Ⅱ)鹽參與了配體的螯合和NiZn團簇的形成(12)，這可能會影響催化活性，但Zn(ii)鹽的存在能夠在轉金屬化之前實現快速的陰離子易位，從而為快速還原消除形成C-C鍵奠定基礎。

圖6、 與有機鋅物種的轉移反應

揭示醯胺類溶劑對催化活性的影響

透過監測不同溶劑的反應過程，研究不同取代芳基戊酸酯的哈密特圖和對非生產性途徑和關鍵反應中間體的催化迴圈的概述。這些結果特別具有說明意義，表明Zn(Ⅱ)鹽和配合新增劑和/或溶劑的作用可能在鎳催化反應中被忽視了。

圖7、 理解鎳催化鋅介導的芳基酯芳基化反應的複雜性。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41929-020-00560-3

作者介紹

Ruben Martin，西班牙有機化學家，現就職於加泰羅尼亞化學研究所 (Institute of Chemical Research of Catalonia/ICIQ)，主要從事於惰性化學鍵的活化。

更多介紹請檢視：

https://cn.chem-station.com/chemists/2019/09/%E4%B8%96%E7%95%8C%E8%91%97%E5%90%8D%E5%8C%96%E5%AD%A6%E5%AE%B6-ruben-martin.html

課題組連結：

http://www.iciq.es/research/research_group/prof-ruben-martin/section/about_prof/