导读：

最近，德国马普煤炭所（Max-Planck-Institut für Kohlenforschung）Alois Fürstner课题组报道了空气稳定的新一代炔烃复分解反应钼卡拜催化剂，解决了此类催化剂存在的稳定性难题。相关研究成果发表在近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc.2023, DOI: 10.1021/jacs.3c10430）。新一代钼卡拜（Molybdenum alkylidyne）催化剂具有以下特点：1）保持了上一代钼卡拜催化剂高反应性高选择性优点，具有前所未有的稳定性和实用性，可以在空气中称重和处理，并能在手套箱外空气中保持数月完整性；2）容易实现克级规模制备；3）溶解在甲苯中时，吡啶配体会自发解离，释放出具有优异反应性的活性物质；4）兼容一系列极性和非极性基团、各种质子位点和许多碱性基团；5）可通过晶体学和光谱方法进行表征，包括95Mo-NMR；6）可催化RCAM反应，进而实现多种天然产物关键中间体的高效合成。

背景介绍（Figure 1）：

在过去二十年中，炔烃复分解反应已作为关键方法，在材料科学和小分子合成领域中取得应用。这一进展与催化剂设计的进步有着内在联系。目前，炔烃复分解反应所用催化剂的研究焦点，正逐渐从钨卡拜催化剂转移到钼卡拜催化剂（Figure 1）。因为钼卡拜催化剂具有更多辅助配体，能实现高反应活性和高官能团耐受性的有效结合。香港科技大学贾国成课题组发展的铼卡拜催化剂（5 in Figure 1），具有某种程度上互补的化学选择性和稳定性，是另一类重要的炔烃复分解反应催化剂（J. Am. Chem. Soc.2020, 142, 13339−13344；J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 6349−6360）。

目前报道的钼卡拜催化剂（Figure 1），虽然能催化炔烃复分解反应的进行，但大多存在某种局限性，例如空气中不稳定、操作不方便、官能团耐受性差，仍需改进。德国马普煤炭所Alois Fürstner课题组长期研究钼卡拜催化的炔烃复分解反应，并期望开发出满足以下条件的钼卡拜催化剂：1）空气中能稳定保存一定时间；2）存储和使用方便，无需特殊设备；3）使用时不需要单独的预活化步骤；4）能在良性溶剂和宽温度范围使用；5）活性和选择性达到或超过目前最好的炔烃复分解反应催化剂。

（Figure 1, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

催化剂设计（Figures 2-4, Schemes 1、2）：

Alois Fürstner课题组长期研究带硅醇配体的“三脚架状”钼卡拜炔烃复分解反应催化剂，并得出如Figure 2所示催化剂。此类催化剂具有高活性和广泛的官能团耐受性，但都存在稳定性差的问题。例如淡紫或紫色的钼卡拜催化剂2a·py在空气中保存，一天内就会变成棕色，其活性成分约一周内会完全分解。尝试利用吡啶稳定催化剂，但会导致配体骨架的部分开环，得到络合物(2c)4。科罗拉多大学博尔德分校Zhang Wei课题组报道过一种基于C/N/Si-连接三苯酚配体骨架的炔烃复分解反应钼卡拜催化剂（Scheme 1），但作者发现其结构并不是“三脚架状”，远比文献报道的复杂，并通过实验（Scheme 2）和X-单晶衍射分析（Figure 3）加以证明。

不同于Zhang Wei组采用酚羟基处于苯胺链邻位的配体设计，作者采用硅醇基处于苯胺链间位的配体设计，得出如Figure 4所示新的设计方案。作者认为这种设计能以一种温和且不破坏原有体系的方式释放配体骨架刚性。所选用的外部稳定配体L需满足两个条件：1）能和钼催化剂C紧密结合，保护催化剂，使催化剂稳定；2）连接需是可逆的，以方便在没有单独预活化步骤的情况下解离出催化剂活性成分。作者认为菲罗啉或联吡啶配体以及一些“粘性”低的单齿配体，可能满足需求。

（Figure 2, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Scheme 1, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Scheme 2, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 3, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 4, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

配体和催化剂合成及表征（Scheme 3, Figures 5-7）：

如Scheme 3所示，芳醛11经1,3-丙二醇保护醛羰基、金属-锂交换和加成、盐酸脱保护得到硅醇13。13经还原胺化，得到三-硅醇14和部分低聚物。所得低聚物硅氧烷可在氢氧化钠溶液中解离成14。14和钼卡拜9在甲苯中反应，经正戊烷洗涤得到黄色纯品钼卡拜15。15分别和三甲基磷、吡啶络合，得到紫色钼卡拜16a、16b和16f。14b和15b的N位移基本相同（δN=−335 ppm vs −333 ppm），证明N原子未和钼(+6)中心络合。15b的X-单晶衍射分析进一步证明了这种特征（Figure 6）。16b的X-单晶衍射分析证明吡啶N和钼(+6)中心紧密结合（Mo1-N2 2.255(1) Å），连接三苄基的N未和钼(+6)中心连接（Mo1/N1 5.38 Å）（Figure 7）。此外作者发现，从25℃升温至50℃，16的紫色[D8]-甲苯溶液会变成黄色或棕色，而且该过程可逆，变温1H-NMR进一步证明了这一特征（见SI）。总之，15和16在室温下存在平衡，且升温会转化成15，降温会转化成16。

（Scheme 3, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 5, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 6, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 7, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

稳定性研究（Figures 8、9, Schemes 4、5）：

在室温空气下保存8个月后，1H-NMR显示16b仅发生微量变质，这证明16b具有高稳定性（Figure 8）。相比已报道的钼卡拜催化剂1·NHC、2a、2a·py、6和8，16b具有最好的稳定性。此外，如Schemes 4所示，催化剂15b和炔烃发生复分解反应所得卡拜15b’，能和多余炔烃发生反应，再生15b。相比之下，催化剂2a和炔烃发生复分解反应会得到双金属络合物18，导致反应需要高当量的2a。Scheme 5的炔烃复分解反应显示，加入BPh3络合反应中解离的吡啶，能进一步促进稳定催化剂16转化成有效催化剂15，加快反应的发生。Figure 9的基准测试实验（benchmarking experiments）可以进一步证明催化剂16能在室温下解离出15，催化反应室温发生。

（Figure 8, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Scheme 4, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Scheme 5, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 9, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

催化炔烃复分解反应研究（Schemes 6-9, Table 1, Figure 10）：

最后，作者以新开发的钼卡拜为催化剂，MS 5Å为捕捉剂（scavenger），甲苯作溶剂，开展了炔烃复分解反应底物拓展和应用研究。如Scheme 6所示，在16a或17催化下，多种芳香族和脂肪族炔烃都能发生自身复分解反应，以可观产率生成对应产物22-33。反应可在较宽温度范围（-20℃-110℃）下发生，部分反应需要加入三苯基硼。反应兼容的官能团包括：带多种取代基的苯基、吡啶、喹啉、噻吩、哌啶、裸露羟基、二级氨基、叠氮、碘。

（Scheme 6, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

如Scheme 7所示，在16a或17b催化下，也能实现多种二炔化合物的关环炔烃复分解反应（RCAM, ring closing alkyne metathesis），以可观产率得到对应大环产物34-39。反应兼容内酯、裸露羟基、MOM保护羟基。反应还兼容炔烃末端上多种R1和R2基团，例如甲基、丁基、三甲基硅基、氢（Table 1）。已报道文献中认为很难发生复分解反应的三甲基硅基炔烃40c，在新的催化条件下，也可发生反应。末端炔烃40e易发生聚合，但也能得到产物。反应不兼容42-46五个炔烃底物（Figure 10），其中42位阻大，43含醛基，44和45会干扰钼卡拜催化剂，46含游离氨基。

（Scheme 7, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Table 1, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure 10, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者还研究了新开发的钼卡拜催化剂在天然产物关键中间体合成方面的应用价值。如Scheme 8所示，天然产物epothilone C中间体48，lythranidine中间体50，amphidinolide V中间体52，epi-tetradehydro-halicyclamine B中间体54，njaoamine I中间体56，都可以通过新开发的钼卡拜催化RCAM反应高效构建。此外，如Scheme 9所示，njaoamine I的另一个炔烃大环，也能通过新开发的钼卡拜催化RCAM反应实现构建，以85%产率得到中间体58（Scheme 9）。从这六个复杂底物的应用案例中可以发现，新一代钼卡拜催化剂具有优秀的官能团耐受性。

（Scheme 8, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Scheme 9, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：

总之，Alois Fürstner课题组报道了一种能高稳定性、高反应性、高选择性地催化炔烃复分解反应的钼卡拜催化剂。鉴于新一代催化剂的高稳定性，非专业人员也能便捷操作和使用，有望取代上一代催化剂，在炔烃复分解反应中取得广泛应用。

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