Nat. Catal.：从手套箱到试验台，Ni催化剂60年难题终攻克

1960年，Gunther Wilke首次报道了二元金属-烯烃络合物的合成，从此开启了Ni(0)-烯烃络合物在催化领域的篇章。其中Ni(COD)₂（COD：1,5-环辛二烯）作为催化剂可用于各种重要的工业生产过程，如丁二烯或乙烯的聚合，其规模可达数吨。此外，在均相催化中，由于Ni(COD)₂在低温、惰性气体氛围下的稳定性，它已经成为Ni(0)的主要反应来源（图1a，左）。然而，Ni(COD)₂暴露在空气中会立即分解，具有高度不稳定性，因此在实验中操作繁琐，需要使用手套箱或Schlenk技术。而其它的Ni(0)-烯烃络合物仅限于Ni(CDT)、Ni(COT)₂或Ni(C₂H₄)₃，这些络合物更加不稳定，且对空气极其敏感（图1a，右侧）。因此，多年来化学家们一直致力于开发一种在空气中稳定且具有良好催化活性的Ni(0)催化剂。目前，已经报道了几例在空气中稳定的Ni(0)或Ni(II)络合物（图1b）。然而，这类预催化剂缺乏通用性，并且需要一系列操作（如配体交换/转金属化/还原消除）才能得到所需的Ni(0)-L络合物。

图1. Ni(0)催化剂。图片来源：Nat. Catal.

近日，德国马克斯普朗克煤炭研究所的Josep Cornella（点击查看介绍）课题组报道了一种16电子Ni(0)-烯烃络合物Ni(^Fstb)₃的合成、表征和催化活性。该络合物以p-CF₃-二苯乙烯为配体，使得镍中心在有氧条件下非常稳定。与已报道的16电子和18电子Ni(0)-烯烃预催化剂相比，该催化剂具有以下特征：（1）在空气中稳定，放置数月无明显分解；（2）不需要使用手套箱或Schlenk技术就可以操作；（3）能够与多种常用的Ni催化配体（例如二胺、膦、N-杂环卡宾）发生配体交换，生成结构明确的Ni(0)-L物种；（4）催化活性高于Ni(COD)₂，且副反应少。这是一种优良的、空气稳定的预催化剂，解决了60年以来关于Ni催化剂的难题。相关结果发表于Nature Catalysis 上。

图2. 络合物1和2。图片来源：Nat. Catal.

Ni(stb)₃和Ni(^Fstb)₃的合成与表征

由于trans, trans, trans-(CDT)Ni(0)（Ni(CDT)）在与其他烯烃化合物的配体交换中具有较高的反应活性，因此选择它作为Ni(0)源。当Ni(CDT)与3.30当量的二苯乙烯在THF中于-5 ℃混合，能够以46%的收率得到一种深红色化合物（图2a，左），X-ray单晶衍射表明该红色络合物为tris-(trans-stilbene)Ni(0)络合物（Ni(stb)₃，1；图2b，左），从中可以看出，Ni中心周围的三个烯烃配位构成了一个16电子构型复合体，与其它三配位Ni(0)-烯烃络合物（如Ni(CDT)）相比，它呈现出略微扭曲的三角平面几何形状。当1暴露于空气中，在25 ℃下放置6 h或0 ℃下放置3 d，均未观察到分解。然而，1对温度敏感，它的配体二苯乙烯会缓慢解离，导致长时间后分解。基于缺电子烯烃对Ni(0)具有较高的结合亲和力，作者尝试使用trans-1,2-双(4-(三氟甲基)苯基)乙烯（^Fstb，3.15当量，3）与Ni(CDT)反应，以70%的收率获得对空气稳定的红色固体络合物2（图2a，右），X-ray单晶衍射表明2与1的结构相似。此外，2可以在冰柜中稳定储存数月，在室温下也可存储数天。为了方便、直接地合成络合物2，作者发展了一种简便的方法，即用廉价易得的Ni(acac)₂和AlEt₃与3反应，能够以高于20 g的规模合成2，这进一步突出了其合成操作的简单性（图2c）。值得一提的是，络合物2与大多数Ni(0)-烯烃络合物截然不同，后者对空气极其敏感、极不稳定。

图3. 络合物2的配体交换。图片来源：Nat. Catal.

络合物2的配体交换

当2与1,1'-双-(二苯基膦基)二茂铁（dppf）结合时，可完全转化为新化合物4（图3a），X-ray单晶衍射显示镍中心具有16电子构型，dppf取代了其中两个^Fstb配体。这与Ni(COD)₂的类似反应截然不同，后者生成了(dppf)Ni(COD)，即带有一个COD和一个dppf配体的 18电子络合物。另外，由于二胺在镍催化中的重要性，作者尝试将2和联吡啶（bipy）等摩尔混合，发现能够定量地得到新化合物5（图3b）。接着，作者尝试将2与单齿配体PPh₃（2.0当量）混合，根据³¹P-NMR分析，两个配体发生了交换，定量地形成了化合物6（图3c）；此外，2中配体的易交换性可以由THF实验来说明，当2溶于THF后，其中一个配体与THF快速发生交换且观察到镍黑，为了对其进行表征，作者将溶液冷却至‒78 °C，得到Ni（0）络合物的小晶体，X-ray单晶证实了7的形成（图3d）。温和的亲核配体（如THF）能够取代2中的配体，而其它Ni(0)-烯烃络合物即使在高温下也不会与THF发生配体交换，这进一步说明了2在溶液中配体交换的优异能力。

图4. 2的催化性能。图片来源：Nat. Catal.

催化性能

接下来，作者研究了不同的Ni催化反应，并将2与Ni(COD)₂和Ni(II)预催化剂的性能进行了比较。在Suzuki偶联反应中，由于Ni(COD)₂作为模块化Ni源的效率较低，通常依赖Ni(II)预催化剂与所需的磷化氢的结合。然而，当用2作为预催化剂时，以99%的收率实现了两个不同杂芳基的偶联（图4a）。值得一提的是，将2在-18 ℃下于空气中储存超过170 d后，该反应仍然能够得到82%的收率，这也说明了2的稳定性。在腈和二烯的氧化环加成反应中，2能够以77%的收率得到目标产物（图4b）。对于镍催化的C‒H键活化，以2为Ni(0)源、PPh₃为配体，酰胺和炔烃在170 ℃下反应，以94%的收率合成了异喹诺酮（图4c）。在C-N键形成的反应中，2作为预催化剂，SIPr为配体，以91%的收率得到了芳基烷基胺（图4d）；当使用dppf与芳香胺发生反应时，以90%的收率得到了二芳基胺（图4e），值得注意的是，该反应需要较高的温度，可能是由于中间体(dppf)Ni(0)(^Fstb)的高稳定性，因此需要更高的能量来促进二苯乙烯配体的解离。对于缩醛的芳基化反应，尽管存在质子溶剂^tAmOH，2催化的芳基化反应收率仍能高达85%（图4f）。N-Boc保护的酰胺在2的催化下能以65%的收率发生酯化反应（图4g）。另外，2也可以作为Negishi交叉偶联反应中的Ni(0)源，以58%的收率实现烷基-烷基偶联（图4h）。由2催化的溴代芳烃和乙烯基锌试剂的偶联反应产率高达92%（图4i）。在硅烷还原甲基硫醚的反应中，2作为非均相Ni(0)前体，无需加入其他配体，收率达到91%（图4j）。2也可以有效催化Heck反应，以88%的收率实现苄基氯和乙烯的Heck偶联，并且将2在室温下于空气中储存14天后，仍能得到84%的Heck偶联产物（图4k）。然而，当使用其他烯烃作为配体时，无法发生配体交换，从而无法实现Kumada交叉偶联反应（图4l）。

图5. 氢芳基化反应。图片来源：Nat. Catal.

强供电子配体（如氮杂环卡宾）与Ni(COD)₂的组合在C-H键活化中可以催化氢芳基化反应，然而在反应过程中通常会形成不期望的镍π-烯丙基络合物，它会抑制催化活性和循环。而使用2代替Ni(COD)₂则可以避免该络合物的产生，例如Ni(COD)₂与IMes结合仅仅得到微量的氢芳基化产物，而2催化时产物的收率竟高达90%（图5）。

总结

Josep Cornella课题组实现了无需使用手套箱或Schlenk技术就能合成的二元Ni(0)-烯烃络合物Ni(^Fstb)₃，攻克了6年的Ni催化剂难题。这种16电子络合物由于简单配体的独特排列，可以将Ni中心与氧气隔离，从而在空气中具有显著的稳定性，在溶液中具有高反应活性。与其他Ni(0)-烯烃络合物相比，它是一个强大的预催化剂，并具有意想不到的催化性能，从而可以方便地建立和加速发现新反应。

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）：

An air-stable binary Ni(0)-olefin catalyst

Lukas Nattmann , Rakan Saeb , Nils Nöthling, Josep Cornella  

Nat. Catal., 2020, 3, 6–13, DOI: 10.1038/s41929-019-0392-6

导师介绍

Josep Cornella 

https://www.x-mol.com/university/faculty/166344

https://www.cornellab.com/

（本文由有所不为供稿）