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Nat. Catal.:铁催化烯烃开环复分解聚合及其机理研究

烯烃复分解反应在有机合成、工业生产、药物研发和先进聚合材料等领域具有广泛的应用,其中Mo-和Ru-卡宾配合物是目前最先进且应用最广泛的催化剂。相比之下,铁不仅是地壳中含量最丰富的过渡金属,而且价格低廉、无毒且生物兼容性好,因此发展铁催化的烯烃复分解反应已成为均相催化的研究前沿。然而,目前铁催化的烯烃复分解反应进展寥寥,这可能是由于铁-亚烷基配合物(该反应的中间体)会催化烯烃的环丙烷化,并且Grubbs型铁-卡宾配合物不稳定。最近,一项计算研究表明,如果选择适当的辅助配体来阻止不希望的副反应(如:烯烃环丙烷化),那么铁配合物就能催化烯烃复分解反应。2001年,有报道使用原位产生的铁催化剂进行开环复分解聚合反应(ROMP),但是获得的聚合物仅含有1%的ROMP单元且周转数(TON)仅为2(Macromol. Chem. Phys., 2001202, 2052–2058)。就在去年,Bukhryakov课题组报道了一种原位产生的铁催化剂,可以实现降冰片烯的立体选择性ROMP(Angew. Chem. Int. Ed., 202160, 2934–2938),但是催化活性较低(TON<9)。此外,尽管Chirik和Wolczanski等人使用钳型(pincer)配体发现了稳定的铁-卡宾配合物,但这些配合物并未与烯烃反应。


近日,以色列魏兹曼科学研究所Satoshi TakebayashiDavid Milstein等研究者利用吡啶基钳形配体的去芳构化,实现了铁催化的降冰片烯及其衍生物的开环复分解聚合反应(ROMP),成功地合成了一系列trans-全同立构聚降冰片烯,而其它催化剂则无法实现这一过程。这些配合物的特征是在吡啶基配体的去芳构化过程中形成一个开放的配位点,从而可以通过金属-配体的络合来活化H2、CO2、胺和醇等底物。机理研究表明该反应是通过烷基配体的α-H消除形成了Fe-卡宾活性物种。相关成果发表在Nature Catalysis 上。

图1. 铁配合物的制备及其结构。图片来源:Nat. Catal.


首先,作者使用大位阻的吡啶-膦(PN)配体和FeX2(X=Cl,Br)合成了二卤化铁配合物11-Br并对其进行了表征,X-射线衍射分析表明两者呈四面体形状,同时磁矩为5.1-5.2 μB,这与高自旋Fe(II)配合物的形成相一致。接着,向11-BrC6H6溶液中添加2 equiv.三甲基硅甲基锂便可形成新的配合物2(图1a)。类似地,作者还合成了其它配合物(图1b),例如:2-CMe32-PtBu2-tipp2-d12-d2。由于22-CMe3在有机溶剂中的高溶解度阻碍了其固态表征,因此作者向2中添加1 equiv. DMAP形成DMAP加合物3(图1c),X-射线衍射分析显示3含有去芳构化PN配体的四面体几何形状(图2)。值得一提的是,向DMAP加合物3C6D6溶液中添加1.4 equiv. BPh3后便可再生复合物2,同时形成DMAP-BPh3加合物。另外,作者还表征了2-PtBu2-tipp的结构(图2),结果显示2-PtBu是三配位、三角平面铁-烷基配合物并具有去芳构化吡啶配体;而2-tipp则通过三配位铁中心二聚化为四配位四面体铁中心,并且Fe-C-Si夹角为124.56°,这表明铁中心周围空间拥挤,这可能会促进α-H的消除或攫取。

图2. 2-PtBu、2-tipp、3的单晶结构。图片来源:Nat. Catal.


如图3a所示,当100 equiv.的降冰片烯添加到2的苯溶液中会迅速形成一种不溶性聚合物并在磁力搅拌棒周围卷起,反应12 h后能以>99%的收率分离出聚合物4。由于聚合物不溶于普通有机溶剂,因此难以进行表征。有趣的是,作者发现该聚合物在100 °C和5 bar N2气氛下可溶于CDCl3,为此作者将完全溶解的聚合物(图3b)与Grubbs I催化剂制备的聚降冰片烯(图3c)的1H NMR谱进行比较,确定其为ROMP聚合物4,并且仅含有反式C=C双键。此外,红外光谱以及部分氧化413C{1H} NMR和梯度选择性1H-1H同核相关谱(gCOSY,图3d)也证实了4是纯trans-全同立构聚降冰片烯,这是先前从未报道过的。另一方面,4的干燥氯仿溶液(0.058 mg ml-1)的TEM图像显示球体4的平均半径为120 nm(图3e)。因此,基于尺寸分析,本体聚合物4的分子量很可能>12.9×106;然而,不能排除较短聚合物可能的聚集。基于DLS和TEM测量,分别获得了0.089和0.025的低尺寸分散度。

图3. 铁催化降冰片烯的ROMP及产物表征。图片来源:Nat. Catal.


随后,作者考察了2的类似物的催化活性(图4),结果显示2-CMe32-tipp的催化活性与2相似,而2-PtBu在30 h后仅形成2%的聚合物,这可能是由于铁中心周围空间拥挤所致。尽管DMAP复合物3没有催化活性,但是添加0.9 equiv. BPh3攫取DMAP配体后就具有催化活性。值得一提的是,将2的催化剂负载量降低至0.1 mol%后产率仅略有下降且TON=880,这比最近报道的原位生成的铁催化剂活性高约100倍。在此基础上,作者使用1 mol% 22-tipp考察了其它环烯烃的ROMP反应效果,结果显示SiMe3和苯基官能团化的降冰片烯能以中等至优异的产率实现聚合,而氧或氮官能团的存在则对催化不利,这可能是由于这些官能团会与2配位形成类似于3的络合物。此外,降冰片二烯、环辛烯和环戊烯均不发生聚合反应,而张力更大的环丙烯则通过加成-聚合机制生成相应的饱和聚合物。

图4. 铁催化环状烯烃的ROMP反应。图片来源:Nat. Catal.


接下来,作者对聚合反应的机理进行了探究。如图5a所示,从[RuCl2(p-cymene)]2和PN配体出发制备络合物5,接着向其中添加2 equiv.三甲基硅甲基锂、100 equiv.降冰片烯进行聚合反应,结果显示络合物5没有催化活性。此外,降冰片烯和降冰片烯-2,3-d2(乙烯基质子交换)的ROMP动力学研究显示KIE为1.36(图5b),该结果不支持通过降冰片烯的C-H键活化来引发ROMP反应。随后,作者研究了通过α-H消除产生铁-卡宾络合物来引发反应。具体而言:1)含有Fe-CD2SiMe3的配合物(2-d2)在100 ℃下加热生成1,2-双(三甲基硅基)乙烯-d2(图5c),这可能是由于卡宾配体的二聚化所致;2)当2-tipp-d2与过量CO进行反应时,气相色谱-质谱检测到O=C=CDSiMe3的形成(图5d),这意味着形成了铁-卡宾配合物;3)当2和苯乙烯-d8在80 ℃下反应12 h后,1H NMR谱观察到乙烯基的H/D交换,而苯乙烯与2-d2在80 ℃下反应时也观察到类似的现象(图5e),这表明通过CH2SiMe3的C-H键活化形成了瞬态Fe-H物种。重要的是,降冰片烯与22-d2的ROMP动力学研究显示KIE为2.36(图5f),这些结果证实了Fe-CH2SiMe3经α-H消除形成Fe=CHSiMe3物种来引发反应。另外,在100 ℃加热2-d2还检测到Fe-CD2SiMe3和CHPiPr2之间的H/D交换(图5c),这些结果与CH2SiMe3经可逆α-H消除形成Fe-H-卡宾,随后质子从Fe-H-卡宾转移到乙烯基并伴随PN配体的芳构化以及Fe-卡宾物种的形成相一致。值得一提的是,当用CMe2PiPr替换PN配体中的CH2PiPr2时会形成惰性催化剂,这表明PN配体的去芳构化对于活性催化剂的形成至关重要。

图5. 机理研究。图片来源:Nat. Catal.


此外,在25 ℃下向配合物2中加入降冰片二烯会形成新的顺磁性配合物6(分离产率:68%),X-射线衍射分析显示降冰片二烯的C=C键插入到铁中心和PN配体的苄基之间并形成四面体二烷基络合物(图6a)。然而,配合物6在25或80 ℃下无法催化降冰片烯或降冰片二烯的ROMP反应,因此6的形成是降冰片二烯无法参与ROMP反应的原因。如图6b所示,作者通过可变温度(-60至25 ℃)NMR监测了2与5 equiv.降冰片烯的反应,发现在-20 ℃形成了新的顺磁性配合物7,后者的1H NMR谱与6几乎相同,因此7被指定为类似于6的降冰片烯加合物,并且7很可能是与2平衡的无催化活性物种。

图6. 捕获催化中间体的尝试。图片来源:Nat. Catal.


最后,作者利用DFT计算进一步研究了ROMP的反应机理,结果表明降冰片烯的exo-面与2配位形成络合物A,然后亚甲基氢原子从Fe-CH2SiMe3转移到CHPiPr2并形成Fe-卡宾-降冰片烯配合物B(图7a),后者的能量比2高22.8 kcal mol-1。接着,B经[2+2]环加成得到中间体C,后者经逆[2+2]环加成生成Fe-卡宾中间体D并螯合新形成的烯烃部分。最后,第二个降冰片烯分子与D配位形成聚合物4,从而关闭了第一个催化循环(图7b)。 

图7. 反应机理的DFT计算。图片来源:Nat. Catal.


总结


本文报道了一种高活性有机金属铁催化剂,可催化降冰片烯及其衍生物的ROMP反应,并生成一系列trans-全同立构聚降冰片烯,而其它催化剂则无法实现这一转化。机理研究表明该过程是从烷基配体中消除α-H、PN配体芳构化形成Fe-卡宾活性物种。此外,通过适当的配体设计,铁络合物将成为烯烃复分解反应的一种有效、经济实用且生物相容的催化剂,从而加速铁复分解催化剂的进一步发展。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Iron-catalysed ring-opening metathesis polymerization of olefins and mechanistic studies

Satoshi Takebayashi , Mark A. Iron , Moran Feller , Orestes Rivada-Wheelaghan , Gregory Leitus , Yael Diskin-Posner , Linda J. W. Shimon , Liat Avram , Raanan Carmieli, Sharon G. Wolf , Ilit Cohen-Ofri, Rajashekharayya A. Sanguramath, Roy Shenhar , Moris Eisen , David Milstein

Nat. Catal., 20225, 494-502, DOI: 10.1038/s41929-022-00793-4


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