柳晗宇 楊中天 余子迪 米天雄 卞 江(北京大學化學與分子工程學院,北京100871)
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·今日化學·
“受阻Lewis酸堿對”化學的研究進展
柳晗宇 楊中天 余子迪 米天雄 卞 江*
(北京大學化學與分子工程學院,北京100871)
摘要:受阻Lewis酸堿對(Frustrated Lewis Pairs,FLPs)是一類具有特殊反應活性的Lewis酸堿對。自發現以來,FLPs受到了廣泛關注并在許多領域嶄露頭角。本文對FLPs在不對稱氫化、高分子聚合、CO2催化還原等應用領域取得的突破進行了介紹;同時對過渡金屬FLPs和FLPs配位的過渡金屬催化體系進行了綜述;最后對FLPs領域未來的發展前景進行了展望。
關鍵詞:受阻Lewis酸堿對;不對稱氫化;離子型聚合反應;CO2催化還原;過渡金屬催化體系
1923年,Lewis[1]提出了按照電子給受體分類的Lewis酸堿體系,極大地拓展了酸堿概念的內涵,Lewis酸堿體系也成為了無機、有機和配位化學中最基本的概念之一。長期以來,作為反應產物的Lewis酸堿加合物一直被認為是熱力學惰性的“能量盡頭”,并沒有得到足夠的重視。然而,某些具有特殊結構的Lewis酸堿組合可以共存于體系中,并具有潛在的小分子活化性能。
2006年,Stephan小組[2]將常見的Lewis酸(B(C6F5)3)與Lewis堿(PHMes2)混合,發現二者并沒有發生典型的加合反應,而是發生取代生成化合物2(圖1)。令人振奮的是,2經Me2SiHCl還原,竟得到了同時帶有正、負電性氫的穩定的化合物3。更進一步,3在100°C以上釋放H2生成化合物4;而在室溫下4也可以快速、自發地與H2生成加成產物3。3、4的存在,為室溫下氫氣的非金屬活化提出了可能性。
化合物4為什么對H2有著特殊的活化能力?究其原因,這種反應活性來源于其所帶的大位阻基團,這些基團的存在使得4中的酸堿位點不能發生分子間配位反應。這樣,保留下來的自由酸堿位點可以與H2作用,使其異裂生成活化產物3。事實上,后續發現的一系列酸堿組合,如P(t-Bu)3/B(C6F5)3、(i-Pr)2NH/B(C6F5)3等,也可以使H2發生異裂活化,生成帶有正、負電性氫的離子對。Stephan將這種位阻極大的Lewis酸堿組合稱為“受阻Lewis酸堿對”(Frustrated Lewis Pairs,FLPs)。英語中frustrated的意思是“失意的,沮喪的,挫敗的”,國內譯成“失配”或“受阻”,這個詞很好地體現了大空阻Lewis酸堿間無法形成加合物的狀態。這些看似失意的Lewis酸堿組合卻有著令人激動的反應性能,為H2、CO2、N2O、烯烴、炔烴等一系列小分子的活化打開了大門[3,4]。自發現以來,FLPs迅速成為熱門的研究領域,經過10年的發展,FLPs已經在諸多催化領域中展現了優于傳統催化劑的一系列特性,為不對稱氫化、高分子聚合等領域提供了新的發展機遇。

圖1 FLPs對氫氣的活化
不對稱反應是引入手性中心的關鍵反應,不對稱氫化反應是其中極其重要的一類,其中以氫氣為氫源的非金屬催化的不對稱氫化反應具有很大優勢,受到了廣泛重視,并取得了一系列成果。最初的FLPs催化不對稱氫化案例來源于手性底物的誘導,比如Soós小組[5]以MesB(C6F5)2/DABCO為催化劑對D-香芹酮進行的氫化(圖2)以及Stephan小組[6]和Klankermayer小組[7]報道的B(C6F5)3催化手性亞胺的氫化;進一步的研究擴展到手性的Lewis酸或Lewis堿催化不對稱氫化反應,一般來說,后者具有更為廣闊的應用空間。

圖2 FLPs活化H2及后續加成
自2008年Klankermayer小組首次報道了手性FLPs的不對稱氫化反應后,Klankermayer小組[8]、Repo小組[9]、Stephan小組[10]和中國的杜海峰教授小組[11]等先后開發了不同的手性Lewis酸或Lewis堿催化劑(圖3),以期提高反應的活性和對映選擇性并簡化操作步驟。

圖3 業已報道的手性FLPs催化劑
FLPs催化不對稱氫化是一個嶄新的研究領域,為科研工作者帶來了新的研究思路。在目前的研究工作中,FLPs已經展現出優于傳統催化劑的化學選擇性和立體選擇性,并在不對稱催化中展現出較好的不對稱選擇性。
與此同時,作為一個剛剛起步的研究領域,FLPs催化不對稱氫化仍面臨很多挑戰,比如由于研究的課題組比較少,有效的催化劑體系極少,底物范圍比較窄,官能團耐受性不高。結合計算化學的手段,開發新穎、高效的催化劑,進一步提高氫化反應的效率和選擇性,拓展底物適用范圍是這一領域未來的重點研究方向。
FLPs在其相當短的發展歷史里已在化學的諸多方面取得了非常突出和卓越的進展,其中也包括了高分子化學。材料性能需求的不斷提升,要求化學工作者們開發新的聚合單體和催化劑。Lewis酸堿對以其獨特的協同活化作用(圖4),為離子型聚合反應提供了新的思路,引起了化學工作者的廣泛關注[12]。

圖4 Lewis酸堿對催化的高分子聚合反應
2.1 CLPs催化高分子聚合:歷史與局限性
經典Lewis酸堿對(Classical Lewis Pairs,CLPs)作為高分子聚合的催化劑已經有不短的歷史,1960年,Murahashi等[13]報道了2:1的Et3Al和PEt3可以引發甲基丙烯酸甲酯(MMA)聚合,得到高度間同聚合的產物。1971年,Ikeda等[14]研究了基于AlEt3、InEt3等酸和PPh3等堿組成的經典Lewis酸堿對催化丙烯腈和甲基丙烯酸甲酯的聚合。1992年,Kitayama等[15]又重新研究了AlEt3/PR3催化的甲基丙烯酸酯的低溫聚合反應(-78/-93°C)。這些研究發現:
(1)單獨的Lewis酸或堿均不能引發聚合反應;
(2)催化劑活性不高,高負載下反應時間也較長,TOF值較低;
(3)反應機理不明確。
CLPs在反應中的局限性來源于Lewis酸堿很強的親和性,導致活化產物不穩定;而FLPs的發現,恰恰為這類問題的解決打開了一扇窗口。2011年,大空阻強酸Al(C6F5)3被應用于MMA的聚合反應,得到了比傳統Lewis酸更加優異的結果[16]。由此,FLPs在高分子聚合中的應用受到了高度的關注。
2.2 主族FLPs催化高分子聚合
在其優異的反應性能被發現之后,Al(C6F5)3對各種單體的催化反應被系統地研究。從最早的MMA開始,Zhang等[17]研究了12種結構各異單體的催化聚合反應。
前文已討論過,單獨的Lewis酸或堿不能催化聚合反應,但是值得注意的是,兩種高極性的氮雜卡賓Lewis堿TPT和t-BuI可以一定程度上催化MMA聚合。Al(C6F5)3/LB催化體系對于可再生的單體MBL和γ-MMBL的聚合均具有極好的催化效果,而對于環狀內酯的開環聚合則效果欠佳,值得進一步研究。在具體操作時,無單體的情況下混合Lewis酸與堿會造成失敗的反應結果,而先混合Lewis酸與單體,令其反應形成加合物,再加入Lewis堿則能得到滿意的結果。在將Al(C6F5)3替換為酸性較弱的高位阻Lewis酸,如ClAl(C6F5)2、i-Pr3Si+、B(C6F5)3時,研究者發現大部分嘗試未收到較好的效果。這反映了Lewis酸的高位阻和強酸性在聚合反應中缺一不可[18]。
2.3 活性中間體表征和機理研究
位阻大,酸性較強的FLPs可以穩定聚合反應的中間體,從而進行譜學表征。MMA-Al(C6F5)3和P(t-Bu)3在室溫下反應生成的中間體(t-Bu)3PCH2C(Me)=C(OMe)O―Al(C6F5)3(Z/E=3:7)已經成功被核磁共振光譜所表征[19]。NMR數據否認了去質子化后的單獨的季鏻鹽存在。中間體結構已經由X射線衍射測定,給出的鍵長數據如Al―O鍵長(0.17513(11)nm),確證了中間體是兩性離子而非膦(圖5)。

圖5 MMA-Al(C6F5)3/P(t-Bu)3兩性離子結構
中間體的表征為機理研究做了鋪墊,用計算化學的手段研究了兩性離子的形成以及接下來的鏈引發和鏈增長過程。采用BP86算法計算了Al(C6F5)3/P(t-Bu)3、PMes3、PPh3和IMes酸堿對催化MMA聚合的相關過程。由MMA-LA加合物產生兩性離子的過程如圖6所示。兩性離子的能量強烈依賴于堿的強度,PMes3對應的能量極高,與其不能催化聚合的實驗事實相符。
圖7對比了鏈引發過程兩種可能的機理——單金屬(unimetallic)和雙金屬(bimetallic)機理。由能量對比不難看出,無論是何種LB參與反應,聚合都強烈傾向于采取雙金屬機理。實驗事實表明,MMA的聚合速率與[Al]/LB呈現較好的正相關,與計算分析的結果一致。

圖6 不同LB形成的兩性離子的能量(單位:kJ·mol-1)
雖然FLPs催化的高分子聚合反應發現時間不長,但是已經展現出誘人的發展前景。現階段,我們對其催化的立體選擇性、催化劑的范圍、催化劑的活性控制等方面了解還不夠深入。開發價格更加低廉、底物適用范圍更廣、立體選擇性更高、聚合速率更快的高分子聚合催化劑是當前研究者的目標。過渡金屬FLPs的引入以及計算化學對催化劑設計和機理研究的應用,也為研究者們提供了新的研究方向與機遇。

圖7 鏈引發的兩種機理對比
隨著化石燃料的迅速衰退,人們將目光投向了大氣中豐富的CO2資源,可再生碳基燃料開發與再利用成為了業界關注的重點。雖然目前可以通過水煤氣逆反應與Fischer-Tropsch反應[20]固定CO2,但其苛刻的條件、受限的選擇性與較低的當量轉化率難以令人滿意。因而定向、均相、溫和的CO2還原反應的開發受到化學工作者的高度重視,FLPs對CO2優良的活化作用恰好對這類難題提供了一種解決方案。
3.1 CO2的活化:奠基與演化
第一個FLPs參與的CO2活化反應由Stephan與Erker小組[21]于2009年報道。他們發現經典的雙分子FLPs可以在溴苯溶液中與CO2快速反應生成加合物(圖8)。然而,雖然許多FLPs都可以與CO2反應,但由于生成的加合物穩定性較差(大多數在-20°C分解),CO2的進一步還原變得異常困難。
為了增強加合物的穩定性,Stephan小組[22]使用了偕二硼烷化合物Me2C=C(BR2)2(R=Cl,C6F5)代替原有的Lewis酸B(C6F5)3,生成的加合物可以在15°C時穩定存在,其結構為一離域負離子(圖9)。另一種思路是使用更加活潑的FLPs,增加正反應的傾向性,如利用堿性更強的TMP(2,2,6,6-四甲基哌啶)/B(C6F5)3與CO2反應,生成的化合物在110°C下仍不分解[23]。

圖8 最早發現的FLPs CO2活化反應

圖9 兩種使加合物穩定的方案
3.2 CO2的催化還原:突破與改進
前人對FLPs活化反應的不斷發現與討論,使得CO2催化還原體系的設計成為可能。2009年,在Sumerin等[24]報道的B(C6F5)3/TMP分別獨立活化H2和CO2的基礎上,Ashley與O′Hare小組[22]在100°C時將CO2與B(C6F5)3/TMP活化H2的產物[TMPH][HB(C6F5)3]反應,突破性地得到了CO2還原產物[TMPH][HCO2B(C6F5)3](6)。進一步將6與H2反應得CH3OB(C6F5)2,經水解最終生成CH3OH,如圖10所示,這就是第一個非金屬均相還原CO2至CH3OH的反應。令人遺憾的是,這個反應中的FLPs并不能形成催化循環,因為HCO2H的脫氧還原過程中,穩定的B―O鍵會取代B(C6F5)3中的B―C鍵,破壞B(C6F5)3生成(C6F5BO)3與C6F5H。

圖10 CO2的非金屬均相還原
為了使得還原反應能夠循環進行,2010年,Piers小組[25]使用還原劑Et3SiH代替H2,利用Si的親氧能力保護B(C6F5)3不被破壞,得到了較好的產率與較高的TON。除Et3SiH外,9-BBN、BH3NH3[26,27]等含有活潑氫的試劑都可以作為氫的來源。其中比較有趣的發現來自于Stephan小組[28],2013年,Stephan等發現氮雜卡賓與9-BBN形成的加合物可以發生重排,產物恰好可以催化還原CO2(圖11)。
雖然利用硅烷、硼烷類試劑可以使得催化循環有效進行,但是由于它們本身的合成需要大量耗能,因而直接使用它們做還原劑是不經濟、不現實的。H2作還原劑的FLPs-CO2催化還原仍然是業內研究者的主要目標。不斷自我創新、自我完善的FLPs體系為我們進一步研究溫和、均相、定向的CO2還原反應的設計提供了大量經驗,并指引著我們向更實用的設計不斷努力。
FLPs化學的多樣性,不僅僅體現為其在化學各領域中的廣泛應用(如前文所述),更體現在FLPs本身與化學其他分支的融合再生。雖然FLPs的早期發展立足于對主族元素間酸堿關系的研究,但隨著FLPs領域的不斷發展,越來越多的工作者將目光投向了周期表的其他疆域,其中過渡金屬理所應當地成為了關注的焦點。對于FLPs與過渡金屬的研究主要分為兩個層面,一層重點研究FLPs作為兩性配體與傳統過渡金屬之間特殊的協同作用,另一層則直接針對以過渡金屬作為Lewis酸/堿核心的FLPs進行研究——也就是對“過渡金屬FLPs”的研究。

圖11 卡賓/BBN重排母體催化還原CO2
4.1 作為兩性配體的FLPs
早在2008年,Breher小組[29]就以P/B FLPs體系與過渡金屬配合物反應,使FLPs中的Lewis堿與過渡金屬發生配位。在隨后的幾年中,這種“FLPs配體-過渡金屬核心”的二元催化體系迅速發展,研究者們不僅開發出了結構各異的配體,更對FLPs配體與過渡金屬的各種配位模式進行了積極的探索(圖12)。其中,Lewis酸堿位點與過渡金屬的雙向配位模式引起了業界廣泛的關注。
在對于各種配體開發的過程中,雙磷氮硼(diphosphine borane,DPB)FLPs配體展示了良好的反應性能。2012年,Harman和Peters[30]將DPB FLPs從傳統的FLPs-Pt、Pd、Rh配合物發展到了FLPs-Ni體系,生成的配合物7可實現對H2的活化(圖13)。更令人矚目的是,配合物7甚至實現了對苯乙烯的催化氫化。

圖12 FLPs作為配體的配合物體系
在近期的工作中[31],與化合物7具有類似結構的FLPs 8(圖14)被證實也具有活化CO、烯烴等小分子的性質,這進一步證實了0價的金屬配合物充當了FLPs中的Lewis堿。這項研究為過渡金屬CO和CN的催化插入化學研究提供了新的思路。

圖13 Ni的DPPhBMes配合物的合成及與氫氣和苯乙烯的反應

圖14 Pt(0)-FLPs對H2的活化
4.2 過渡金屬FLPs化合物
如前所述,“過渡金屬FLPs”特指過渡金屬直接作為Lewis酸/堿核心的FLPs化合物。在對過渡金屬FLPs的研究中,最先獲得突破的是前過渡金屬FLPs,如圖15所示,Cp2Zr和(t-Bu)3P對一系列小分子(如N2O、H2、CO2、鹵代烴、烯、炔等)均顯示出良好的活化作用[32]。
正如主族元素FLPs開發的歷程一樣,對過渡金屬FLPs的研究不僅僅局限在從小分子活化,我們更加期待FLPs可以實現一個完整的催化循環。而這樣的突破,最早也是在前過渡金屬中實現的。一個十分具有代表性的例子便是對硼胺衍生物脫氫反應:過渡金屬FLPs對硼胺衍生物的活化和H2的釋放形成了一個完整的催化循環(圖16)[33]。
既然前過渡金屬FLPs可以形成催化循環,那么天然具有優異催化性能的后過渡金屬是否也可以如此?答案是肯定的:2010年,Milstein小組[34]報道了Ru-FLPs的催化反應,配合物9可以催化醇和胺(醇)生成酰胺(酯),而配合物10則可以有選擇性地催化生成亞胺(圖17)。利用芳構化作用促進FLPs對醇的活化是該反應的一大亮點。

圖15 鋯的茂化合物和三叔丁基膦對N2O的活化

圖16 鋯FLPs對硼胺衍生物的催化脫氫
綜上所述,過渡金屬FLPs的早期研究集中在前過渡金屬,很大程度上是因為前過渡金屬與第三主族元素具有較強的化學相似性——這一點可以從它們類似的離子半徑、絕對硬度以及軌道能級上得以解讀——導致了前過渡金屬FLPs的反應性能與13/15族FLPs相似卻又不同。另一方面,具有更多d電子,反應活性更高的后過渡金屬FLPs也逐漸進入了大家的視野,成為了新的研究重點。站在更高的層次上,在本章首先介紹的作為配體的FLPs,雖然在形式上與過渡金屬FLPs不盡相同,但在本質上,FLPs中的Lewis堿為過渡金屬中心提供了電子,而富電子的過渡金屬與Lewis酸位點也有相互作用——這本身就是一對過渡金屬FLPs的組合。其中的金屬甚至同時具有了酸堿反應活性。因此可以預見:在不久的將來,過渡金屬與FLPs融合必將達到一個全新的高度,為傳統的過渡金屬催化反應打開了新的窗口。

圖17 Milstein等[35,36]提出的機理
自2006年Stephan小組發現并提出“受阻Lewis酸堿對”這一概念以來,FLPs便一直受到來自不同領域化學工作者的廣泛關注。在其短短十年的發展歷程中,FLPs從簡單的磷/硼體系,逐步擴展到13/15族Lewis酸堿體系,近期又將視野放大到了整個元素周期表;其應用也從最初的氫氣的捕捉與活化發展到不對稱催化氫化、高分子聚合反應、CO2催化還原等更加廣泛的領域;而FLPs在配合物中的種種應用,將過渡金屬催化和主族活化有機地結合在一起,從而有助于更高效地活化各種小分子。
發展至今,FLPs體系已經在許多領域顯示出獨特而優越的反應性能,但正如文中分析的那樣,FLPs領域還存在很大的發展空間。在實際應用層面,某些FLPs反應的條件需要進一步優化,FLPs催化劑的合成需要進一步探索,簡單高效FLPs體系的大規模應用和試劑化的可行性也值得進一步探討。而從原理層面上講,FLPs與過渡金屬的融合還有進一步的發展空間,利用FLPs的活化能力與過渡金屬的多重價態構建連續反應體系將是未來研究的重點。同時,利用FLPs體系進行C―H鍵活化的設想也將為有機化學工作者帶來新的工作思路。計算化學手段的應用也將為不對稱FLPs催化體系的設計、過渡金屬FLPs體系的設計、催化反應機理的研究等方面提供有力的支持。總而言之,相信經過人們進一步的摸索和完善,FLPs化學必將走向成熟。
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中圖分類號:O6-1;G64
doi:10.3866/PKU.DXHX20160401www.dxhx.pku.edu.cn
*通訊作者,Email:bj@pku.edu.cn
Research Progress on Frustrated Lewis Pairs Chemistry
LIU Han-Yu YANG Zhong-Tian YU Zi-Di MI Tian-Xiong BIAN Jiang*
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P.R.China)
Abstract:Frustrated Lewis Pairs(FLPs)represent a class of Lewis acids and bases possessing unique reactivities.Since their discovery,FLPs have obtained extensive attention and have grown rapidly on a broad range of studies.This paper highlights the application of FLPs in the fields of asymmetric hydrogenation,polymerization and catalytic reduction of CO2.Transition-metal FLPs and complexes containing FLPs ligands are also reviewed.Finally the trend in the development of FLPs is also discussed.
Key Words:Frustrated Lewis Pairs;Asymmetric hydrogenation;Ionic polymerization;Catalytic CO2reduction;Transition-metal catalytic systems