[催化信息] 金属有机催化

２００５诺贝尔化学奖的三位得主，获奖原因就是他们弄清了如何指挥烯烃分子“交换舞伴”，将分子部件重新组合成别的物质。

　　２０世纪５０年代，人们首次发现，在金属化合物的催化作用下，烯烃里的碳－碳双键会被拆散、重组，形成新分子，这种过程被命名为烯烃复分解反应。但当时没有人知道这类金属催化剂的分子结构，也不知道它是怎样起作用的。

　　人们就此提出了许多假说，但真正的突破发生在１９７０年。这一年，法国科学家伊夫·肖万和他的学生发表了一篇论文，提出烯烃复分解反应中的催化剂应当是金属卡宾，并详细解释了催化剂担当中间人、帮助烯烃分子“交换舞伴”的过程。

　　金属卡宾是指一类有机分子，其中有一个碳原子与一个金属原子以双键连接，它们也可以看作一对拉着双手的舞伴。在与烯烃分子相遇后，两对舞伴会暂时组合起来，手拉手跳起四人舞蹈。随后它们“交换舞伴”，组合成两个新分子，其中一个是新的烯烃分子，另一个是金属原子和它的新舞伴。后者会继续寻找下一个烯烃分子，再次“交换舞伴”。

　　这一理论提出后，越来越多的化学家意识到，烯烃复分解在有机合成方面有着巨大的应用前景，但这对催化剂的要求也很高。到底含有什么金属元素的卡宾化合物最理想呢？在开发实用的催化剂方面，作出最大贡献的是美国科学家罗伯特·格拉布和理查德·施罗克。

　　１９９０年，施罗克和他的合作者报告说，金属钼的卡宾化合物可以作为非常有效的烯烃复分解催化剂。这是第一种实用的此类催化剂，该成果显示烯烃复分解可以取代许多传统的有机合成方法，并用于合成新型有机分子。

　　１９９２年，格拉布等人发现了金属钌的卡宾化合物也能作为催化剂。此后，格拉布又对钌催化剂作了改进，这种“格拉布催化剂”成为第一种被普遍使用的烯烃复分解催化剂，并成为检验新型催化剂性能的标准。

　　以这些发现为基础，学术界和工业界掀起了研究烯烃复分解反应、设计合成新型有机物质的热潮。新的合成过程更简单快捷，生产效率更高，副产品更少，产生的有害废物也更少，有利于保护环境，是“绿色化学”的典范。它在化工、食品、医药和生物技术产业方面有着巨大应用潜力。一些科学家正在用这种方法开发治疗癌症、早老性痴呆症和艾滋病等疾病的新药。它还拓展了科学家研究有机分子的手段，例如用于人工合成复杂的天然物质。

研究现状：金属有机化学的研究在中国要数上海有机所最牛了．
　　上海有机所金属有机化学研究，在我国起步早，后劲足，水平高。它起步于五、六十年代，经过七、八十年代的重振和发展，实现了九十年代的腾飞，一批课题研究跻身世界一流行列，取得国际先进水平的科研成果。

　　五十年代初，有机所成立不久，为了消灭长江流域小麦黑穗病和棉花红腐病、立枯病，黄耀曾教授接受研制进口农药西力生的任务。他剖析得知该农药主要成份是氯化乙基汞，与同事们一起在实验室制出产品，工艺技术转让给沈阳一家化工厂，建起2000吨/年的车间，源源生产出本国的西力生，供大田使用。他从此引起对金属有机化学的兴趣。1958年，黄耀曾教授在开展硼氢高能燃料和有机氟材料的研究过程中，认识到元素、金属有机化学的重要性，开始关注有机化学领域著名的G.Wittig反应，对魏迪希发现的氮、磷叶立德反应，及其进一步的烯基化反应作深入分析和理论思考，受到启发，与丁维钰一起在国际上率先研究了砷叶立德反应，发现砷叶立德比魏迪希的磷叶立德有更高的活性。在此同时，徐维铧研究员等开展了有机锡的研究，合成了一系列烷基和芳基锡及其衍生物，并进行了结构与生物活性，包括抑制真菌类和海洋生物的研究；三烃基锡衍生物添加到船用漆中，对防止海洋生物在船底的生长起到很好作用；它还有效地用于小麦病虫害的防治，但是由于有机锡毒性很强，难于推广应用。这些有意义的探索，标志有机所的金属有机化学的研究有了良好开端。

　　金属有机化学是有机化学领域最活跃的分支学科之一。“文革”后不久，黄耀曾教授重振金属有机化学研究，吸引了沈延昌、施莉兰、徐元耀等一批业务骨干和带领研究生更深入研究胂叶立德反应；陆熙炎、戴立信、钱长涛、陈家碧等多位学科带头人相继转向金属有机化学研究领域，在中科院大力支持下，开展“金属有机化学中的高选择性”重点课题研究，瞄准国际学科前沿选题开展研究工作，在过渡金属催化、稀土金属络合物化学、卡拜卡宾化学等方面进行大量有意义研究，取得很好结果。金属有机化学的研究在有机所得到飞速发展的基础上，1988年经专家论证后，筹建中国科学院金属有机化学开放实验室，并于1989年7月1日正式成立，同时向国内外开放。他们不断深化研究课题，向更高目标挺进。近几年一批年轻博士从国外学成归来加入这一研究行列，壮大金属有机化学研究力量。开放实验室他们从设计并合成具有新型功能结构的金属有机物种着手，探索其结构及化学反应性能规律；系统研究金属——碳键、金属棗氢键的形成及反应规律，进而发展导向有机合成的金属有机化学，着重发展新型金属有机化合物参与的新一代环境友好的有机合成方法学。这样，金属有机化学领域的研究，人才济济，学术思想活跃，立题起点高，目标明确，工作扎实，取得世人瞩目的研究成果。

　　黄耀曾教授在“应用金属有机化合物于合成方法学的研究”的课题中，对主族元素中砷、锑、碲化合物在有机合成中的应用作了系统、全面、深入的研究。与沈延昌一起发现了制备三元环和环氧化合物的新方法；尤其突出的是，带领施莉兰等人首次应用固液相转移反应技术，在室温弱碱条件下实现了有机砷盐一步直接与醛反应，成为高产率高选择性地合成多烯醛、酮、酯、酰胺、腈的简捷通法，副产物可重复使用；并成功地应用此通法合成了多烯类天然产物，此法被本所许杏祥研究员成功地应用于鹰爪素的全合成。黄耀曾教授应用催化量的三丁基胂在弱碱K2CO3和还原剂存在的条件下实现了一步从醛制得烯酮、烯酯的催化反应，成为魏迪希型反应30多年来的第一个催化反应的例子。黄耀曾教授领导课题组人员，深入进行了有机锑化合物的反应，发现了反应的三种不同历程：(1)离子对历程棗无碱条件下三烷基锑参与卤化物与羰基化合物的反应，成为崭新的碳碳双键形成的方法；(2)五烷基锑历程棗季锑盐在强碱强亲核试剂烷基锂或苯基锂作用下与羰基化合物的反应，方便地得到R-CH(OH)CH2E (E=Ph, -CH=CH2, CH2CHCO2Et, CO2R”, CN); (3)锑叶立德历程棗季锑盐在强碱条件下与弱亲核试剂的反应，形成C=C。三种不同历程的反应填补了有机锑反应方面的国际空白。黄耀曾等人还实现了首例有机碲催化的环氧化反应和环丙烷化等反应。黄耀曾院士在金属有机化学领域创新性成果得到学术界的高度评价，其中“有机砷、锑化合物在合成应用中的方法学”获1991年中国科学院自然科学一等奖和1993年国家自然科学二等奖，发表论文60多篇。这一成就已为国际同行所公认，论文被国外书籍、学术刊物采用，并被大量引用，部份的工作总结发表于“Accounts of Chemical Research”上，还为“Encyclopedia of Reagent for Organic Synthesis”之邀，撰写有关砷、锑、碲等试剂的章节。由于他在有机化学和金属有机化学中的杰出贡献，1994年被授予第三世界科学院化学奖，这是中国化学家第一次获此殊荣。

　　陆熙炎教授于八十年代末开始探索金属有机化合物的奥秘，对固氮酶模拟物棗金属有机络合物进行研究，合成了相关络合物并测试了它们的还原活性。随后，陆熙炎瞅准金属有机化学学科前沿和热点课题，提出从基元反应出发，设计开发新的有机合成方法学研究”。他从贫电子炔烃出发，根据基元反应理论及有机合成方法学的观点，设计出起点高、立意新的反应，巧妙地指导课题组成员（主要是历届研究生），通过过渡金属的催化反应，在国际上首次发现了许多有学术意义和应用前景的反应。陆熙炎院士从事的是导向有机合成的金属有机化学，取得的两项科研成果“过渡金属催化有机合成方法学”和“以炔烃衍生物为原料的合成方法学研究”分别于1992年和1997年获得中国科学院自然科学一等奖，合并申报获1999年度国家自然科学二等奖。发表了140余篇论文，其中大部份发表在国际知名的学术刊物上；论文被国际国行引用六百余次，这些表明这项基础研究居国际先进水平。

　　稀土金属有机配合物的合成、结构和反应性能研究是金属有机化学研究热点和前沿课题之一，发挥我国丰富的稀土元素资源优势，开展这一课题研究具有重大理论意义和广阔的应用前景。钱长涛教授领导的课题组研究稀土金属有机化学，经过15年的努力，获得多项重大发现：发现通过碳链桥联双环戊二烯配体抑制环戊二烯基的运动度和用Lewis base满足配位饱和的两种方法都能稳定轻稀土有机配合物；发现氧化棗五亚甲基双环戊二烯是他们设计合成的最好的环桥联配体，它所生成的稀土金属有机配合物结构新颖，催化活性高；研究成功一种合成高活性中性稀土有机氢化物的简便方法，发现两种活性高、选择性好，使用方便的新的均相催化体系：Cp3 Ln/NaH, Cp2Ln/Na (Cp:环戊二烯)；发现一种新奇的Ln-Cπ键断裂反应，Cp2YCl与醛、酮反应，高产率生成富烯，是合成富烯的有效新方法；发现甲氧乙基环戊二烯是稳定低价稀土和轻稀土有机配合物的有效配体。钱长涛等人在这项课题研究过程中，共发表研究论文百余篇，其中60多篇发表在国际学术期刊上，于1987年和1995年分别获中科院科技进步二等奖，和中科院自然科学一等奖，1997年获国家自然科学三等奖。由于这项基础研究成果具有创新性，引起国内外同行的重视，论文被引用达420多次，钱长涛应邀在国际学术讨论上作交流报告，应邀为国际权威丛书如“有机合成试剂百科全书”等撰写相关文章，在国际产生一定影响。

　　沈延昌研究员从1984年开始深入研究叶立德反应，带领课题组成员，经过10余年的艰苦努力，取得了丰硕的研究成果，“碳-碳双键新的若干合成方法学”于是1995年获中国科学院自然科学一等奖，“含氟碳-碳重键的新合成方法学研究”，于1999年获上海市科技进步一等奖，综合上述两项成果申报的“碳-碳重键新的合成方法学研究”，被初评为2000年国家自然科学二等奖。他们在研究中发现亲核试剂进攻含氟β-酮基磷盐，结果得到含氟的碳-碳双键化合物。其巧妙之处在于应用全氟烷基强吸电子特性，使邻接羧基碳带正性，便于亲核试剂的进攻，接着消去三苯氧膦而形成碳-碳双键化合物，亲核试剂可以是各类金属试剂，因而具有较广泛的应用范围。这个新反应不同于常规的魏迪希(Wittig)反应，是对形成碳-碳双键反应作出重大的新贡献。他们发现在催化剂(Pd, Zn等)和正-三丁基膦（胂）存在下，醛可以和溴代乙酸酯“一锅”直接反应，合成碳-碳双键，把三步反应压缩成一步大大简化著名的Wittig反应，引起国际化学界的重视。他们率先发现由金属有机试剂、锂试剂、格氏试剂等对含氟叶立德进行亲核加成，形成高活性的含氟叶立德阴离子，进而容易与醛、酮反应，解决了有机合成上的一个难题。立体选择性地控制合成（Z）-或（E）-碳-碳双键化合物、消去三苯基胂形成碳-碳双键、当场生成的含氟膦酸酯的亲核加成和消去反应形成碳-碳双键、还原烯化反应、含氟碳-碳叁键等的合成方法学研究都取得更好结果。沈延昌等的研究成果具有首创性和新颖性。共发表128篇学术论文，其中111篇发表在国际著名刊物上，受到国际学术界的重视和高度的评价。论文被国际刊物专著引用536篇次，国际权威杂志的激动人心栏目专门介绍他们压缩Wittig反应的“一锅”合成法，March新著的“高等有机化学”也对“一锅法”加以引用和介绍。

　　陈家碧研究员等开展烯烃配位的过渡金属卡宾和卡拜络合物研究，引人注目。他系统地研究了不同烯烃配体和不同中心金属对M-CO的加成及随后烷基化的影响，发现了许多新奇的异构化反应，分离得到多种特殊结构的新型化合物；研究了金属卡拜络合物与亲核试剂的反应，合成了多种含特殊基团的新型卡宾和卡拜络合物；系统地进行了烯烃棗金属卡宾络合物及其异构化产物的晶体和分子结构研究，发现了新的键型和成键规律。这些研究结果反映在他发表于国内外一流学术刊物的30多篇论文里，这些论文多次被国际同行引用，受到国内外学者的高度评价。研究成果“烯烃配位的过渡金属卡宾和卡拜络合物的研究”获得中科院自然科学二等奖。他们在桥卡拜、卡宾络合物化学方面再接再厉，研究了阳离子锰、铼卡拜络合物与含硒、碲等杂原子的活性金属铁阴离子反应，首次合成了含硒、碲等杂原子的桥卡宾络合物，进一步发展了桥卡宾的合成及化学转化。这些研究结果反映在他发表于国内外一流学术刊物的70多篇论文里，这些论文多次被国际同行引用，受到国内外学者应有的重视。

　　戴立信院士注重金属配位作用的研究，发现一系列导致高区域选择性和高立体选择性的反应。其中有：通过钛的配位作用实现环氧醇的开环反应；通过铑的配位作用，实现铑催化的硼氢化反应，高区域选择性地得到仲醇；通过钯的配位作用，实现了远程的区域选择性控制，实现了烯丙基胺的手性底物诱导的分子间的不对称氧钯化反应和不对称碳钯化反应，发展一个新的烯丙基胺和烯丙基硫醚的羟氯化反应，建立了合成手性的、官能团化的吗啉的新方法以及催化量的手性配合物为催化剂的催化合成手性化合物的反应。这些为合成手性药物和精细化工学品提供新的方法。

　　近几年，尤其是在知识创新工程试点工作的驱动下，围绕创新目标，金属有机化学开放实验室的新老科技工作者，主要是一批年轻学科带头人，密切联系绿色化学、手性药物合成以及高分子新材料及其新型金属有机催化剂进行创新性研究，取得良好结果。在绿色合成化学方面，他们以联烯化合物为研究对象应用过渡金属催化，特别是手性催化方法开展了大量的合成工作，发展了以钯/银共催化的2,3-联烯酸与芳基卤化物或烯基卤化物反应，一步高效生成具有潜在生理活性的γ-丁烯酸内酯；解决了钯催化的联烯醇与芳基卤化物或烯基卤化物反应中的立体选择性问题，合成了高光学活性纯度的烯基环氧化物；提出了多中心反应概念，为骈环双环化合物的合成提供了高效简便的合成新方法。这些研究结果，引起国际有机化学界的关注，被邀在国际学术会上交流，多篇论文被国际著名化学《J. Org. Chem.》采用和发表。在不对称催化方面，他们在从事C2手性配体的不对称诱导反应研究中发现了从天然酒石酸出发合成的氨基醇类化合物作为配体可以高效、高立体选择性地诱导金属炔锂试剂对羰基的不可称加成；利用膦原子上含有氧或硫的新型手性配体与金属元素形成的手性金属络合物进行不对称催化反应研究，对进一步合成新药物具有创新意义。