烯烴複分解反應涉及金屬催化劑存在下烯烴雙鍵的重組，自發現以來便在醫藥和聚合物工業中有了廣泛應用。相對於其他反應，該反應副產物及廢物排放少，更加環保。 2005 年的諾貝爾化學獎頒給了化學家伊夫肖萬、羅伯特格拉布和理查德施羅克，以表彰他們在烯烴複分解反應研究和應用方面所做出的卓越貢獻。 烯烴複分解反應由含鎳、鎢、釕和鉬的過渡金屬卡賓配合物催化，反應中烯烴雙鍵斷裂重組生成新的烯烴，通式如右邊所示。 概述 烯烴複分解反應最初應用在石油工業中，以 SHOP 法的產物 α 烯烴為原料，高溫高壓下生產高階烯烴。傳統的反應催化劑如 WCl6EtOHEtAlCl2，由金屬鹵化物與烷化劑反應制取。 烯烴複分解反應是個迴圈反應，過程為：首先金屬卡賓配合物與烯烴反應，生成含金屬雜環丁烷環系的中間體。該中間體分解，得到一個新的烯烴和新的卡賓配合物。接著後者繼續發生反應，又得到原卡賓配合物。 常用的催化劑都為卡賓配合物，格拉布催化劑和詹氏催化劑含釕， 105 From Arkivoc 施羅克催化劑含鉬或鎢。 Acc Chem Res 它們也可催化炔烴複分解反應及相關的聚合反應。 反應機理 根據伍德沃德 霍夫曼規則，兩個烯烴直接發生 22 環加成反應是對稱禁阻的，活化能很高。20 世紀 70 年代時，Hérison 和肖萬提出了烯烴複分解反應的環加成機理，該機理是目前最廣泛接受的反應機制。Hérisson JL Chauvin Y Macromol Chem 1970 141 161 其中，首先發生烯烴雙鍵與金屬卡賓配合物的 22 環加成反應，生成金屬雜環丁烷衍生物中間體。然後該中間體經由逆環加成反應，既可得到反應物，也可得到新的烯烴和卡賓配合物。新的金屬卡賓再與另一個烯烴發生類似的反應，最後生成另一個新的烯烴，並再生原金屬卡賓。 金屬催化劑 d 軌道與烯烴的相互作用降低了活化能，使烯烴複分解反應在適宜溫度下就可發生，擺脫了以前多催化組分以及強路易斯酸性的反應條件。 複分解反應 複分解反應又可分為以下幾種重要型別： 交叉複分解反應 關環複分解反應 烯炔複分解反應 開環複分解反應 開環複分解聚合反應 非環二烯複分解反應 炔烴複分解反應 烷烴複分解反應 烯烴複分解反應 與大多數有機金屬反應類似的是，複分解反應生成熱力學控制的產物。也就是說，最終的產物比例由產物能量高低決定，符合玻爾茲曼分佈。 複分解反應的驅動力往往不相同： 烯烴複分解反應和炔烴複分解反應 乙烯 乙炔的生成增加了反應熵，推動了反應發生； 烯炔複分解反應 沒有以上條件，在熱力學上是不利的，除非還伴隨有特定的開環或關環反應； 開環複分解反應 原料常為有張力的烯烴如降冰片烯，環的開啟消除了張力，推動了反應發生； 關環複分解反應 生成了能量上有利的五六元環，反應中通常有乙烯生成。用關環反應合成大環化合物時，反應常常在極稀的溶液中進行，並且利用偕二甲基效應加快反應速率和選擇性。 烯烴發生臭氧化反應生成兩個酮，再以維蒂希反應成烯的過程與烯烴複分解反應是等同的，且有些已被後者所代替。 應用 下述反應由 HoveydaGrubbs 催化劑催化，利用了開環的交叉烯烴複分解反應：A Recyclable Chiral Ru Catalyst for Enantioselective Olefin Metathesis Efficient Catalytic Asymmetric RingOpeningCross Metathesis in Air Joshua J Van Veldhuizen Steven B Garber Jason S Kingsbury and Amir H Hoveyda J Am Chem Soc 2002 124 18 pp 4954 4955 Communication 構建 Epothilone 分子中的大環時，採用的是烯烴複分解反應，產率很高，但雙鍵沒有選擇性，生成的是 EZ 等量異構體的混合物：H G Schmalz Angew Chem Int Ed Engl 1995 34 1833 FluvirucinB1Aglycone 的大環合成也利用了烯烴複分解反應。但用 PCy3 2Cl2RuCHCHCPh2 催化時收率少於 2，只有使用鉬催化劑才能以 98 的產率合成關環產物，雙鍵為 Z 構型：A F Houri Z Xu D A Cogan A H Hoveyda J Am Chem Soc 1995 117 2943 HG Schmalz Angew Chem Int Ed Engl 1995 34 1833 B M Trost M A Ceschi B König Angew Chem Int Ed Engl 1997 36 1486 Z Xu C W Johannes A F Houri D S La D A Cogan G E Hofilena A H Hoveyda J Am Chem Soc 1997 119 10302 WCl4 OAr 2 催化劑存在下，1 己烯發生烯烴複分解反應，得到 5 癸烯及進一步複分解所生成的副產物。 歷史 烯烴複分解反應的歷史可以追溯到 20 世紀 50 年代，起源於高分子化學研究。當時卡爾齊格勒在對齊格勒 納塔催化劑的研究中發現，一些金屬催化劑存在下，乙烯 聚合 生成的產物為 1 丁烯，而非應當得到的飽和碳氫長鏈。Polymerisation von Äthylen und anderen Olefinen Karl Ziegler E Holzkamp H Breil H Martin Angewandte Chemie Volume 67 Issue 16 Pages 426 426 1955 1960 年，杜邦公司開始使用四庚基鋁鋰和四氯化鈦為催化劑，研究降冰片烯聚合為聚降冰片烯的反應。A W Anderson and N G Merckling U S US Patent 2721189 October 18 1955 不久後將該反應歸為配位聚合反應。反應機理中，RTiX 中間體先與烯烴的雙鍵配位，生成 π 配合物。然後 SNi 協同反應使 CC 鍵斷裂，生成含亞烷基 鈦鍵的中間體，繼續與第二個單體反應： 1964 年，居里奧納塔在以鎢和鉬鹵化物作催化劑研究環戊烯的聚合反應時，也觀測到了不飽和聚合物的生成。Stereospecific Homopolymerization of Cyclopentene Angewandte Chemie International Edition in English Volume 3 Issue 11 Date November 1964 Pages 723729 G Natta G DallAsta G Mazzanti 同一年，菲利浦石油公司的研究者 Olefin Disproportionation A New Catalytic Process R L Banks and G C Bailey Ind Eng Chem Prod Res Dev 1964 3 3 pp 170 173 發現，當以含有六羰基鉬、六羰基鎢和三氧化鉬與氧化鋁的混合物作催化劑時，烯烴會發生 歧化反應，如丙烯會生成等量的乙烯和 2 丁烯。他們為反應提出的機理涉及環丁烷 金屬配合物的生成，具體如下： 根據兩年之前誕生的伍德沃德 霍夫曼規則判斷，該反應是對稱性禁阻的。並且複分解反應中也從未觀測到任何環丁烷衍生物的生成。因此，該機理很快便被否定了。 1967 年，固特異輪胎與橡膠公司的研究人員研製出一種新穎的催化劑，由六氯化鎢、乙醇和有機鋁化合物 EtAlMe2 等組分組成，可以催化 2 戊烯的複分解反應。此外，研究人員首次將該反應稱為 烯烴複分解反應。Olefin metathesis A novel reaction for skeletal transformations of unsaturated hydrocarbons Tetrahedron Letters Volume 8 Issue 34 1967 Pages 33273329 Nissim Calderon Hung Yu Chen and Kenneth W Scott 該反應中，2 戊烯很快便與 2 丁烯與 3 己烯形成平衡，雙鍵並沒有發生移位。而且也可以用丁烯和己烯作為原料，加入甲醇便會使反應終止。 這些研究人員還使 2 丁烯與全氘代的 2 丁烯反應，得到了 C4H4D4，氘原子平均分配在四個碳原子上。Olefin metathesis I Acyclic vinylenic hydrocarbons Nissim Calderon Eilert A Ofstead John P Ward W Allen Judy and Kenneth W Scott J Am Chem Soc 1968 90 15 41334140 因此，他們提出，烯烴複分解反應 為複分解機理，而非烷基交換： 1971 年，伊夫肖萬首先提出了烯烴複分解反應的金屬雜四元環中間體機理，很好地解釋了一些複分解反應得到統計學分佈產物的現象。Catalyse de transformation des oléfines par les complexes du tungstène II Télomérisation des oléfines cycliques en présence doléfines acycliques Die Makromolekulare Chemie Volume 141 Issue 1 Date 9 February 1971 Pages 161176 Par JeanLouis Hérisson Yves Chauvin 該機理也是烯烴複分解反應目前最廣泛認同的機理。 反應中涉及的金屬卡賓配合物由恩斯特奧托菲舍爾在 1964 年首先製備出來。 肖萬機理背後的實驗證據為，四氯氧化鎢和四丁基錫的均相混合物催化下，環戊烯與 2 戊烯的反應： 反應的三個主要產物 C9、C10 和 C11 比例為 121。用更高階的低聚體反應也得到這個比例。肖萬認為，卡賓由碳 金屬單鍵的 alpha 氫消除生成，例如在 2 丁烯 C4 與六氯化鎢和四甲基錫 C1 反應時，產物為丙烯 C3。 同年，成功合成環丁二烯的 Pettit 獨自提出另一套理論，A proposed mechanism for the metalcatalysed disproportionation reaction of olefins Tetrahedron Letters Volume 12 Issue 11 1971 Pages 789793 Glenn S Lewandos and R Pettit 認為反應經由含四亞甲基的中間體，並且 sp3 雜化的碳原子與中心的金屬原子透過多個三中心兩電子鍵相連： Pettit 為該機理提出的實驗證據是，一氧化碳可以抑制含鎢金屬羰基配合物催化的 4 壬烯的複分解反應。Mechanism of the metalcatalyzed disproportionation of olefins Glenn S Lewandos R Pettit J Am Chem Soc 1971 93 25 70877088 1972 年起，羅伯特格拉布開始了對複分解反應的研究。他所在的研究組使 14 二鋰代丁烷與六氯化鎢反應，試圖製取一個金屬雜環中間體，但得到的產物與烯烴複分解反應的產物相同。因此，他也提出了金屬雜環中間體的機理，只是中間體環為金屬雜五元環，Possible intermediate in the tungstencatalyzed olefin metathesis reaction Robert H Grubbs Terence K Brunck J Am Chem Soc 1972 94 7 25382540 反應為兩分子反應物加到金屬原子上： 1973 年，格拉布分離出二鋰代丁烷與 cis 雙 三苯基膦 二氯合鉑 II 反應生成的鉑雜環中間體，進一步證實了他的機理。Crystal structure of bis triphenylphosphine tetramethyleneplatinum II Carol G Biefeld Harry A Eick Robert H Grubbs Inorg Chem 1973 12 9 21662170 1975 年，Katz 透過讓環辛烯、2 丁烯和 4 辛烯的混合物與含鉬的催化劑反應，觀察到很快就有非對稱的烴 C14 生成。該現象符合肖萬所提出的金屬雜環丁烷機理：Mechanism of the olefin metathesis reaction Thomas J Katz James McGinnis J Am Chem Soc 1975 97 6 15921594 若反應的速率控制步驟為格拉布所提出的烯烴成對機理，則在主要產物 C12 和 C16 生成之後，就會立即有 C12 與 C6 進一步反應的產物產生。 1974 年，Casey 首先以金屬卡賓作為原料，進行烯烴複分解反應：Reactions of diphenylcarbene pentacarbonyltungsten 0 with alkenes Role of metalcarbene complexes in cyclopropanation and olefin metathesis reactions Charles P Casey Terry J Burkhardt J Am Chem Soc 1974 96 25 78087809 格拉布則在 1976 年推翻了自己提出的機理： 下述同位素標記的反應得到了肖萬四元環中間體機理所預測的產物：Mechanism of the olefin metathesis reaction Robert H Grubbs Patrick L Burk Dale D Carr J Am Chem Soc 1975 97 11 32653267 Consideration of the mechanism of the metal catalyzed olefin metathesis reaction Robert H Grubbs D D Carr C Hoppin P L Burk J Am Chem Soc 1976 98 12 34783483 1978 年開始，特伯以特伯試劑為基礎，進行了很多複分解反應實驗，Olefin homologation with titanium methylene compounds F N Tebbe G W Parshall G S Reddy J Am Chem Soc 1978 100 11 36113613 其中之一如下圖所示，異丁烯和亞甲基環己烷中不同核素標記的碳原子發生交換： 1980 年，格拉布研究組利用特伯試劑與 3 甲基 1 丁烯的反應，分離出第一個金屬雜環丁烷衍生物：Titanium metallacarbenemetallacyclobutane reactions stepwise metathesis T R Howard J B Lee R H Grubbs J Am Chem Soc 1980 102 22 68766878 1986 年的全合成中也分離出類似的化合物：Synthesis of Δ912capnellene using titanium reagents John R Stille Robert H Grubbs J Am Chem Soc 1986 108 4 855856 同一年，格拉布研究組證明了特伯試劑催化的降冰片烯複分解聚合反應屬於活性聚合；Titanacyclobutanes derived from strained cyclic olefins the living polymerization of norbornene Laura R Gilliom Robert H Grubbs J Am Chem Soc 1986 108 4 733742 一年後，格拉布和施羅克共同發表一篇文章，描述鎢卡賓配合物催化的活性聚合反應。Ringopening polymerization of norbornene by a living tungsten alkylidene complex R R Schrock J Feldman L F Cannizzo R H Grubbs Macromolecules 1987 20 5 11691172 從這之後，施羅克將烯烴複分解反應的研究重點放在鎢和鉬催化劑上，而格拉布則著重研究含釕催化劑。他們的研究都取得了相當大的進展，相比之下，格拉布催化劑對水、酸、氧氣比施羅克催化劑更加穩定。 格拉布催化劑 以 Michelotti 和 Keaveney 之前對醇類溶劑中，水合三氯化釕 鋨 銥催化的降冰片烯聚合反應為基礎，Coordinated polymerization of the bicyclo221heptene2 ring system norbornene in polar media Journal of Polymer Science Part A General Papers Volume 3 Issue 3 Date March 1965 Pages 895905 Francis W Michelotti William P Keaveney 格拉布研究組以三氯化釕、三氯化鋨或鎢亞烷基配合物作催化劑，成功完成了 7 氧代降冰片烯衍生物的聚合反應。The ring opening metathesis polymerization of 7oxabicyclo 221 hept5ene derivatives a new acyclic polymeric ionophore Bruce M Novak Robert H Grubbs J Am Chem Soc 1988 110 3 960961 進一步的研究表明釕 II 卡賓配合物，如 PPh3 2Cl2RuCHCHCPh2 具有更加有效的催化作用：Ringopening metathesis polymerization ROMP of norbornene by a Group VIII carbene complex in protic media SonBinh T Nguyen Lynda K Johnson Robert H Grubbs Joseph W Ziller J Am Chem Soc 1992 114 10 39743975 類似的還有 PCy3 2Cl2RuCHCHCPh2（三苯基膦配體被三環己基膦替換），Syntheses and activities of new singlecomponent rutheniumbased olefin metathesis catalysts SonBinh T Nguyen Robert H Grubbs Joseph W Ziller J Am Chem Soc 1993 115 21 98589859 也是很常用的格拉布催化劑。A Series of WellDefined Metathesis CatalystsSynthesis of RuCl2 CHRPR3 2 and Its Reactions Angewandte Chemie International Edition in English Volume 34 Issue 18 Date October 2 1995 Pages 20392041 Peter Schwab Marcia B France Joseph W Ziller Robert H Grubbs Synthesis and Applications of RuCl2 CHRPR3 2 The Influence of the Alkylidene Moiety on Metathesis Activity Peter Schwab Robert H Grubbs and Joseph W Ziller J Am Chem Soc pp 100 110 1996 Article 施羅克催化劑 1979 年，施羅克為了進一步研究鉭卡賓的反應，開始涉足對烯烴複分解反應的研究。Pentamethyl complexes of niobium and tantalum R R Schrock P Meakin J Am Chem Soc 1974 96 16 52885290 最初的結果並不理想，CpTa CHtbu Cl2 與乙烯反應只得到一個金屬雜環戊烷，並沒有複分解的產物：Preparation and characterization of tantalum III olefin complexes and tantalum V metallacyclopentane complexes made from acyclic alpha olefins S J McLain C D Wood R R Schrock J Am Chem Soc 1979 101 16 45584570 一年後，他將原料改為 PR3Ta CHtbuOtbu 2Cl（氯 叔丁氧基、環戊二烯基 有機膦），並用此成功催化了 cis2 戊烯的複分解反應。Preparation and characterization of active niobium tantalum and tungsten metathesis catalysts Journal of Molecular Catalysis Volume 8 Issues 13 May 1980 Pages 7383 Richard Schrock Scott Rocklage Jeffrey Wengrovius Gregory Rupprecht and Jere Fellmann 進一步研究表明 W OCHtBuCl 2 PEt 3 之類的含氧鎢絡合物也有催化作用。Multiple metalcarbon bonds 16 Tungstenoxo alkylidene complexes as olefins metathesis catalysts and the crystal structure of W OCHCMe3 PEt3 Cl2 Jeffrey H Wengrovius Richard R Schrock Melvyn Rowen Churchill Joseph R Missert Wiley J Youngs J Am Chem Soc 1980 102 13 45154516 1990 年，Mo NArCHMe2ROC CH3CF3 2 型別的烯烴複分解反應施羅克催化劑開始被廣泛應用在有機合成中：Synthesis of molybdenum imido alkylidene complexes and some reactions involving acyclic olefins Richard R Schrock John S Murdzek Gui C Bazan Jennifer Robbins Marcello DiMare Marie ORegan J Am Chem Soc 1990 112 10 38753886 Living ringopening metathesis polymerization of 23difunctionalized 7oxanorbornenes and 7oxanorbornadienes by Mo CHCMe2RNC6H3isoPr226OtertBu 2 and Mo CHCMe2RNC6H3isoPr226OCMe2CF3 2 Guillermo C Bazan John H Oskam Hyun Nam Cho Lee Y Park Richard R Schrock J Am Chem Soc 1991 113 18 68996907 1993 年結合了 BINOL 配體，製成了首個不對稱施羅克催化劑。下面的反應中，該催化劑催化了 25 降冰片二烯的開環複分解聚合反應，得到高度立體專一的 cis 同構聚合物：Synthesis of chiral molybdenum ROMP initiators and allcis highly tactic poly 23R 2norbornadiene R CF3 or CO2Me David H McConville Jennifer R Wolf Richard R Schrock J Am Chem Soc 1993 115 10 44134414 參見 格拉布催化劑、施羅克催化劑 複分解反應 參考文獻 延伸閱讀 外部連結 金屬卡賓絡合物催化的烯烴複分解反應 烯烴複分解反應 有機化學org 有機合成中的複分解方法的發展 烯烴複分解反應（Olefin metathesis） Category 有機金屬化學 Category 均相催化 Category 碳 碳鍵形成反應 Category 產業製程