引言
Prototypical Nickel⁽ˡˡ⁾ Catalyst Species
01
交叉偶联反应是现代合成化学中构建C–C和C–杂原子键的核心工具。近年来，使用廉价且地壳丰度高的镍催化交叉偶联引起了广泛关注。然而，对镍中心转金属化影响因素的有限认识严重阻碍了反应的先验设计，转金属化常被视为缓慢且棘手的步骤。尽管钯催化转金属化的研究已相当深入，镍体系的相关认知仍十分匮乏。
图1. 当前用于Ni⁽ˡˡ⁾转金属化动力学分析方法的总览（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
镍转金属化的动力学分析面临多重挑战：还原消除过快使产物追踪失效；生成的Ni(0)与Ni⁽ˡˡ⁾归中产生顺磁性Ni⁽ˡ⁾，干扰NMR分析并消耗起始原料。虽有少数研究获得部分动力学数据，但缺乏普适性的分析方法。现报道了一种基于³¹P{¹H} NMR直接分析Ni⁽ˡˡ⁾转金属化的简便方法，通过不饱和偶联产物以η²方式配位稳定Ni⁽⁰⁾，阻止归中反应，首次实现了该关键步骤的大规模动力学数据获取。
进展
Prototypical Nickel⁽ˡˡ⁾ Catalyst Species
02
合成与反应设计
方案1. 本研究制备并分析的配合物（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
制备了一系列催化相关Ni⁽ˡˡ⁾配合物1–6（方案1），包含不同膦配体（PPh₃、PCy₃、dppf、dppe、dcype、XantPhos）和（拟）卤化物（Cl、Br、I、OTs、OTf），均含1-萘基以赋予稳定性的同时促进还原消除。单晶衍射确认了XantPhos配合物6-OTf的κ³-POP离子型结构。
图2. [(dppf)Ni(1-Np)I] 5-I与锡烷7反应随时间变化的³¹P{¹H} NMR堆叠谱图（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
选择三丁基（苯乙炔基）锡7为转金属化试剂，因其反应时标适合NMR分析（t₁/₂约90 min），且产物1-（苯乙炔基）萘9可作为η²配体稳定Ni⁽⁰⁾。³¹P{¹H} NMR验证了Ni⁽⁰⁾捕获策略的有效性（图2）：起始配合物5-I消耗，生成η²-炔烃Ni⁽⁰⁾配合物10e；η²-配体交换生成[(dppf)Ni(η²-锡烷)]。对照实验表明，捕获态Ni⁽⁰⁾与Ni⁽ˡˡ⁾无归中反应。质量平衡证实Ni⁽ˡ⁾生成被完全抑制（<5%质量损失），使得³¹P{¹H} NMR分析成为可能。
动力学分析
表1. [(PP)M(1-Np)X] 1–6与三丁基（苯乙炔基）锡7反应的观察速率常数（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
在300.0 ± 0.5 K下，以K₃PO₄/D₂O为外标，采用原位³¹P{¹H} NMR在准一级条件下（20-100倍过量锡烷）获得各配合物的观察速率常数k_obs（表1）。
Ni vs Pd：[(PPh₃)₂Pd(1-Np)I]的k_obs = 1.24×10⁻⁴ s⁻¹（t₁/₂≈90 min），而Ni类似物1-I在1 min内完全消耗（k_obs > 3.47×10⁻² s⁻¹），Ni至少比Pd快280倍，氯/溴配合物同样极快。
配体效应是主导因素，单齿PPh₃配合物比双齿dppe快>1400倍（表1，条目2 vs 9）；PCy₃比dcype快>1700倍。双齿配体配合物中，dppf最快，XantPhos和dcype极慢。芳基膦（PPh₃/dppe）比烷基膦（PCy₃/dcype）快5-7倍。活性顺序：PPh₃ > PCy₃ ≈ dppf ≫ dppe > XantPhos ≈ dcype。该趋势与配体解离促进炔烃配位的机理一致：弱配位膦（芳基、单齿）易解离，加快转金属化；强配位膦（烷基）及螯合膦因鳌合效应阻碍解离，反应缓慢。
表2. [(PP)Ni(1-Np)X] 1与三丁基（乙烯基）锡11反应的观察速率常数（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
卤素对k_obs影响较小（通常<1个数量级）。对单齿配体，速率顺序I > Br > Cl（表2），与Pd体系（Cl > Br > I）相反；双齿配体无一致趋势。XantPhos系列中，离子型6-OTf比中性6-Cl/Br/I快194倍，表明拟卤化物可显著提升速率。
机理研究——[(PCy₃)₂Ni(1-Np)Cl] 2-Cl
图3. A) [(PCy₃)₂Ni(1-Np)Cl] 2-Cl与锡烷7反应的拟议机理；B) 不同锡烷7浓度下的拟议速率方程；C) 溶剂对k_obs的影响；D) 采用CPCM(THF) M06L/def2TZVP//ωB97XD/6-31G(d)+SDD计算的反应路径。（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
Hammett分析得ρ = +0.137，吸电子取代基加速反应，暗示决速步涉及Sn–C键断裂。
反应对PCy₃呈负一级，表明膦解离发生；对锡烷呈Michaelis-Menten型级数（低浓度一级，高浓度近零级，图3B）。对照实验排除炔烃预配位或膦-锡烷直接作用。溶剂效应表明THF（配位性）优于苯/二氟苯（图3C）。
表3. [(PP)Ni(1-Np)X]与三丁基（苯乙炔基）锡7反应的活化参数（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
提出预平衡机理（图3A）：PCy₃被锡烷7置换生成活性物种INT1。高浓度下溶剂化笼被锡烷饱和，呈零级。氯离子级数为零（盐效应而非直接作用）。活化参数（表3）：ΔH‡ = 114.3 kJ/mol，ΔS‡ = +86.8 J·K⁻¹·mol⁻¹，表明决速步涉及有序度降低，符合环状双分子亲电取代（SE2）机理。
DFT计算（图3D）支持该机理：PCy₃→锡烷7a配体交换生成INTa（ΔG = 1.4 kcal/mol），以缔合置换进行。决速步为Sn–C键断裂（TSa，ΔG‡ = 18.6 kcal/mol，Sn–C = 2.61 Å），随后经环状SE2过渡态TSb（Sn–C = 2.67 Å）完成转金属化。THF辅助途径（TSa-THF，ΔG‡ = 18.0 kcal/mol）与实验溶剂效应一致。
机理研究——[(Dppf)Ni(1-Np)Br] 5-Br
图4. A) [(dppf)Ni(1-Np)Br] 5-Br与锡烷7反应的拟议机理及速率方程；B) 锡烷7浓度对k_obs的影响；C) 溶剂对k_obs的影响；D) 采用CPCM(THF) M06L/def2TZVP//ωB97XD/6-31G(d)+SDD计算的反应路径（图源：Angew. Chem., 2026, https://doi.org/10.1002/anie.2885584）
与2-Cl显著不同：对锡烷呈简单一级（图4B）；对dppf呈部分负级（配体加倍仅降速15%），表明dppf未完全解离，仅部分Ni–P断裂以容纳锡烷配位。溶剂效应相反：极性越小反应越快（图4C），表明极性溶剂稳定起始原料。加入Br⁻比PF₆⁻对照快1.36倍（图4C），暗示Sn–Br键形成参与决速步。活化参数（表3）：ΔS‡ = -16.8 J·K⁻¹·mol⁻¹（小负值），与2-Cl（+86.8）差异源于配体而非卤素，表明决速步涉及有序度小幅增加。
DFT计算（图4D）表明，仅Sn–C断裂的TSe活化能高（ΔG‡ = 31.4 kcal/mol，Sn–C = 3.15 Å）。环状过渡态TSd（ΔG‡ = 7.3 kcal/mol，Sn–C = 2.52 Å）可行，表明转金属化通过环状TSd直接进行。含一个THF的TSd-THF给出更现实值（ΔG‡ = 13.7 kcal/mol）。开放机理因离子型中间体能量高（>14 kcal/mol）被排除。
两种配合物均涉及预平衡（Ni–P断裂+锡烷配位），但决速步不同——2-Cl为Sn–C键断裂；5-Br为环状SE2转金属化事件本身。
展望
Prototypical Nickel⁽ˡˡ⁾ Catalyst Species
03
这是一种直接分析Ni⁽ˡˡ⁾转金属化的³¹P{¹H} NMR的方法，首次获得了该关键催化步骤的大规模动力学数据。[(PPh₃)₂M(1-Np)I]（M = Ni, Pd）对比显示Ni比Pd快至少280倍。不同Ni配合物间速率常数跨度达5个数量级（半衰期从秒到天），凸显转金属化在反应设计中的核心地位。所建立的动力学分析方法可作为反应设计中优化转金属化步骤的通用机理工具。对Ni⁽ˡˡ⁾转金属化反应性趋势和机理的深入认识为镍催化交叉偶联的先验设计提供了关键指导，具有广泛的催化应用意义。
【声明】本文在创作过程中，笔者提供了创作思路，部分内容使用AI工具辅助优化，并经过笔者修改润色。本文内容仅代表个人观点，旨在进行知识分享和行业探讨。
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