概述
本文理论研究了钌催化苯甲酸与炔烃成环反应的机理：包括金属烯基(metallalkenyl)机理、金属环丙烯(metallacyclopropene)机理以及金属烯丙基卡宾体(metallallylcarbenoid)机理。不同于传统的金属烯基和金属环丙烯机理，本研究揭示该反应历经一种新型的金属烯丙基卡宾体中间体机理，该中间体具有独特的 η4 结构促使炔烃成环，选择性地得到六元环产物。
研究背景A. 机理背景：钌催化苯甲酸与炔烃的成环反应钌催化剂在有机合成\高分子聚合和生物化学上有广泛应用。其中，通过钌催化碳氢活化串联环化是构建碳环或者杂环的有效策略。此前，Ackermann团队通过钌催化苯甲酸与炔烃获得杂环化合物 (Org. Lett. 2012, 14,930; Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 5513)。
传统认为这类反应一般是经过碳氢活化、炔烃插入生成金属烯基(metallalkenyl)中间体，然后通过 6-endo-trig 成环得到六元环产物。后来，金属环丙烯 (metallacyclopropene) 也被认为可能在钌配合物催化炔烃体系中扮演重要角色，因此也可能是上述反应的一种潜在可能中间体。因此，对于经典的钌催化碳氢活化炔烃环化反应，其关键中间体是什么，是否存在其他的中间体？何种机理最优？驱动成环反应机理选择性的成因何在？
B. 研究出发点基于上述问题，柯卓锋教授课题组通过 DFT 理论计算探索这一钌催化反应的机理。发现，除了传统的金属烯基和金属环丙烯中间体机理之外，还存在一种新型的中间体：金属烯丙基卡宾体(metallallylcarbenoid)。通过比对各自的反应路径和选择性机理，证明金属烯丙基卡宾体机理，源于其独特的 η4 结构，优于其他两种机理。
另一方面，卡宾体的特性决定了其区位选择性。这一新型机制促成钌高效高选择性催化生成六元环杂环化合物，为相关反应的底物、催化剂设计提供重要的线索。研究结果发表在 ACS Catal. 上 (ACS Catal. 2019, 9, 9387.)，第一作者为中山大学的蒋景行博士，通讯作者为中山大学的柯卓锋教授，及其合作者广东工业大学的刘艳副教授和德国 Georg-August-Universität 的 Lutz Ackermann 教授。
反应机理的解析A. 三类中间体的生成机理和结构特点作者首先通过 DFT 计算揭示三种中间体的生成机理。如图1 所示，反应物 A1 通过碳氢活化金属化、配体交换以及炔烃的插入得到金属烯基中间体 Y2。中间体 Y2 可通过与额外乙酸分子配位饱和后金属烯基 resting state Y2’，或者是通过异构化反应得到金属环丙烯中间体 Y3 或者金属烯丙基卡宾中间体 Y4。金属烯基、金属环丙烯和金属烯丙基卡宾中间体的不同的特征如图2 所示。金属烯基中间体 Y2’ 的Ca=Cb 具有典型的双键特征，且 Ru-Ca 键具有典型的单键特征。
在金属环丙烯中间体 Y3 的结构中，他们发现 Ru-Cb 键已形成，Ru-Ca 键具有双键特征，此外 Ca-Cb 键比 Y2’ 中的要长。这些结构特征说明了 Y3 是个金属环丙烯结构。对与 Y4，研究者发现金属钌中心与苯环上的双键和苄位碳形成典型的 η3 allylic配位特征。这种新型的中间体同时具备金属烯丙基以及金属卡宾体结构的特征，称之为金属烯丙基卡宾体中间体。
从图1 可见碳氢活化(Y1 到 Yts1，活化能垒 27.7 kcal/mol)是决速步骤，因此过渡态 Yts1 是决速控制的过渡态，很好地符合实验观测结果。相比之下，三种中间体的形成过程是快速的平衡过程。
▲图2. 金属烯基、金属环丙烯和金属烯丙基卡宾体三种中间体的特征。
B. 三种中间体的成环反应机理鉴于这三种中间体都是这一反应的重要中间体，而且有不同的特征，那么这些中间体在相应的成环反应中表现如何，柯卓锋课题组考察了这三种中间体成环反应的机理过程。如图3A 所示，当金属烯基中间体 Y2’ 成环时，6-endo-trig 及 5-exo-trig 成环的过渡态具很高的能垒(Yts4’: 35.7 kcal/mol及Yts5’: 28.4 kcal/mol)，而且形成五元环产物的 5-exo-trig 成环的过渡态能量比相应六元环过渡态要低。可见这种被广泛接受的金属烯基机理和实验观察到的六元环产物相互矛盾。
▲图3. 金属烯基、金属环丙烯和金属烯丙基卡宾成环机理应势能面。
而对金属环丙烯中间体 Y3 而言(图3B)，形成六元环产物的过渡态 Yts6 比相应金属烯基机理的要低 (18.6 kcal/mol)。他们的 5-exo-trig 成环过程，需要 Y3 先异构化到中间体 Y2 以进一步实现 5-exo-trig成环。
新发现的金属烯丙基卡宾体中间体在成环过程中(图3C)，所经历的成环过渡态，其能量都比前两种机理的要低。而且，金属烯丙基卡宾体的 6-endo-trig 成环(Yts7: -0.1 kcal/mol)要比 5-exo-trig 成环(Yts8: 18.1 kcal/mol)低很多。
因此金属烯丙基卡宾体机理很好的解释了钌催化苯甲酸与炔烃的串联环化反应的活性和选择性。由于金属烯丙基卡宾体中间体在整个势能面中并非 resting state，因此暂时无法从热力学上得到该中间体的单晶结构。期待实验上能够从其他类似体系出发，分离得到这种独特的 η4 结构中间体。
C．三种机理差异及区域选择性的成因为进一步探讨三种中间体成环机理的差异成因，作者通过分析其成环过程中的形变能及相互作用能(图4)。金属烯基机理中，其相互作用能非负值，意味着催化剂和底物片段在该机理过程中无明显的相互作用推动力。
相对金属烯基机理而言，金属烯丙基卡宾体机理的过渡态，催化剂或者底物的片段具有较低的形变能，而且其相互作用能较强；对金属环丙烯机理而言，其过渡态的底物片段的形变能过高。从结构角度分析，金属烯丙基卡宾体 Y4 到成环过渡态 Yts7 的 C-O 键变化(2.868 Å 至 2.216 Å)较其他两种机理的小(金属烯基机理: 2.777 Å 至 1.782 Å，金属环丙烯机理：2.977 Å 至 2.025 Å)。所以这种独特的 η4 结构能够有效降低使其成环过程的形变能，促进反应发生。
▲图4. 金属烯基、金属环丙烯和金属烯丙基卡宾体三种中间体的形变能/相互作用能分析。
在这一基础上，作者进一步分析金属烯丙基卡宾体机理成环区域选择性成因。如图5，Ru 卡宾体具有典型的 Fischer 卡宾特征，在 Y4 的 LUMO+1 轨道中，轨道成分主要集中在连接金属钌中心的 Ca 原子，占 21.1 %，而 β 位的碳原子只占 3.6 %。另一方面，由于 Fischer 卡宾体中的碳原子，Ca 原子，具有明显的亲电特征，其电正性为 0.179，容易受负电的羧酸根离子进攻成环。因此 6-endo-trig 成环的过渡态比 5-exo-trig 的要低，最终选择性生成六元环产物。
▲图5. 金属烯丙基卡宾体的特征轨道、轨道成分及 NPA 电荷。
总结与展望基于钌催化苯甲酸与炔烃成环反应体系，作者通过理论计算深入研究了这一体系的反应机理和区域选择性：从广为接受的金属烯基机理，到金属环丙烯机理，再到他们新发现的金属烯丙基卡宾体机理。由于金属烯丙基卡宾体具有独特的 η4 结构，使得在成环的过程中具有较低的形变能以及较好的催化剂-底物片段相互结合能。与此同时，金属烯丙基卡宾体中的 Fischer 卡宾结构特征，促使电正性 Ca 接受负电的羧酸根离子进攻生成六元环产物。该文为过渡金属催化碳氢活化和串联环化反应的机理、反应性及选择性提供一个新的认识。