膦配體電子和空間效應(yīng)對(duì)鈀催化羰化酯化反應(yīng)的影響

劉夢(mèng)力, 曾 波, 胡 波, 李 臻*, 夏春谷

（1. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 羰基合成與選擇氧化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 江蘇華昌化工股份有限公司, 江蘇 張家港 215634）

羰基（-CO-）是一類(lèi)在有機(jī)合成領(lǐng)域用途廣泛的官能團(tuán), 而羰基化反應(yīng)是在有機(jī)分子中引入羰基實(shí)現(xiàn)增氧增碳的重要反應(yīng), 在精細(xì)和大宗化學(xué)品的工業(yè)生產(chǎn), 以及有機(jī)合成中廣泛應(yīng)用. 在這類(lèi)反應(yīng)中,過(guò)渡金屬催化的烷氧羰基化反應(yīng), 也稱(chēng)為氫酯化反應(yīng)或羰化酯化反應(yīng), 是將不飽和化合物、 CO和醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酯的一種直接方法, 具有高原子經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性.

鈀（Pd）配合物催化劑在羰化酯化反應(yīng)中表現(xiàn)出較高的活性和通用性, 因此受到廣泛的關(guān)注. 其中,具有不同電子和空間性質(zhì)的膦配體不僅可以穩(wěn)定中心金屬, 也是影響催化劑反應(yīng)活性和選擇性的一個(gè)重要因素. 近幾十年來(lái), 研究人員設(shè)計(jì)合成出數(shù)量眾多的新型膦配體, 使Pd-P催化體系的綜合性能不斷提高. 我們將重點(diǎn)介紹和評(píng)述Pd催化的烯烴羰化酯化反應(yīng)中膦配體電子和空間效應(yīng)對(duì)活性和選擇性的調(diào)控作用, 希望對(duì)合理設(shè)計(jì)新型膦配體有所啟迪,并對(duì)未來(lái)羰化酯化反應(yīng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

1 膦配體

膦配體（PR3）中磷原子的孤對(duì)電子可與中心金屬原子配位形成配位鍵（σ供體）, 而填充電子的金屬3d軌道與膦配體σ*反鍵軌道可形成反饋鍵（π受體）, 因此膦配體兼具σ-給電子能力和π-受電子能力（圖 1）, 其電子性質(zhì)可以在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),例如, 從“強(qiáng)σ-電子給體/弱π-電子受體”到“弱σ-電子給體/強(qiáng)π-電子受體”. 同時(shí)配位原子的σ-給電子能力和π-接受反饋電子能力進(jìn)一步調(diào)控了金屬中心的電子性質(zhì)以及影響了對(duì)位的配位原子與金屬中心的配位強(qiáng)度. P原子上取代基的改變使膦配體的空間位阻可以在很大的范圍內(nèi)變化, 進(jìn)而影響到金屬中心的配位數(shù)和其它配體（包括底物）的配位排布. 因此, 配體的電子性質(zhì)與空間立體性質(zhì)協(xié)同, 綜合地影響了催化反應(yīng)的各個(gè)步驟, 對(duì)過(guò)渡金屬能高效地催化羰化反應(yīng)的進(jìn)行起到了關(guān)鍵作用［1］. 由此可見(jiàn), 通過(guò)對(duì)配體的篩選, 改變金屬中心的電子性質(zhì)/空間位阻, 來(lái)優(yōu)化催化中心的配位環(huán)境, 是調(diào)控Pd配合物催化活性以及反應(yīng)化學(xué)/區(qū)域選擇性的重要手段.

圖1 膦配體電子性質(zhì)示意圖［2］Fig.1 Schematic diagram of the electronic properties of phosphine ligands［2］

膦配體的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)具有多樣化的特點(diǎn), 包括: 單齒、 雙齒和多齒膦配體; 非手性或手性膦配體; 以及一些特殊空間和電子結(jié)構(gòu)的膦配體, 例如,hemilabile（半穩(wěn)定）配體（具有一個(gè)強(qiáng)配位基團(tuán)和一個(gè)弱配位基團(tuán), 呈現(xiàn)“半穩(wěn)定性”）和籠狀膦配體.圖2顯示了部分代表性膦配體結(jié)構(gòu).

圖2 代表性膦配體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of representative phosphine ligands

2 膦配體電子和空間效應(yīng)

膦配體修飾的鈀催化劑與酸性助劑組成了不飽和化合物選擇性羰化酯化的高效催化體系. 研究發(fā)現(xiàn), 羰化酯化反應(yīng)的活性、 化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性與膦配體的性質(zhì)高度關(guān)聯(lián), 配體骨架結(jié)構(gòu)和磷原子上取代基的不同引起配體電子性能和空間立體環(huán)境的改變. 在1970年以前, 配體結(jié)構(gòu)上的幾乎所有現(xiàn)象都用電子效應(yīng)來(lái)解釋, 直到Tolman系統(tǒng)研究了單膦配體的“配體效應(yīng)”, 提出了電子效應(yīng)和空間效應(yīng)的定量方法, 才首創(chuàng)了有機(jī)金屬配合物均相催化領(lǐng)域中對(duì)配體性質(zhì)的系統(tǒng)性描述［3］. 此后大量文獻(xiàn)證實(shí)膦配體空間效應(yīng)和電子效應(yīng)并非孤立地對(duì)金屬配合物的活性、 穩(wěn)定性和選擇性產(chǎn)生影響, 兩者之間相互作用, 具有協(xié)同性［4］.

根據(jù)Tolman的量化方法, 單齒膦配體PR3的給電子能力可以通過(guò)測(cè)量化合物Ni（CO）3（PR3）的紅外羰基伸縮振動(dòng)吸收峰νCO來(lái)表征［5］（圖3）. 為定量描述R基團(tuán)對(duì)PR3配體給電子能力的影響, 引入電性參數(shù)χi, 則:

圖3 PR3給電子能力的量化［5］Fig.3 Quantification of electron donating capability of PR3［5］

表1中列出了代表性R基團(tuán)的χi值.

表1 膦配體R 取代基的χi值［5］Table 1 χi for R substituents of phosphine ligands［5］

PR3的空間效應(yīng)則用錐角θ來(lái)近似衡量［3-6］（圖4 a）, 錐角越大, 配體空間位阻越大, 即空間立體效應(yīng)越顯著. 錐角最初是以對(duì)稱(chēng)單齒膦配體與鎳中心以四面體形式排列而提出的, 對(duì)于不對(duì)稱(chēng)膦配體,錐角可以通過(guò)取代基之間的三個(gè)角度的平均值來(lái)估計(jì). 由于在Tolman最初的研究中, 配體被折疊成盡可能小的錐體, 而沒(méi)有考慮其他可能結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性, 因此, 最初的方法適用于小的配體, 如PH3或PMe3, 當(dāng)它應(yīng)用于更復(fù)雜的單齒或雙齒配體時(shí), 其有效性大大降低. 為克服這些缺陷, 化學(xué)家又發(fā)展了立體角Ω［7-8］（配體原子投射到以中心金屬原子為中心的球體上的陰影面積）、 掩埋體積百分比%Vbur［9-11］（任何給定的配體在一個(gè)以金屬原子為中心的半徑為0.35 nm的球體內(nèi)所占的體積, 最初用于N-雜環(huán)卡賓（NHC）配體, 現(xiàn)在也應(yīng)用于單、 雙齒膦配體）等描述符來(lái)描述膦配體的不同立體環(huán)境和電子性質(zhì)（圖4 b和c）.

圖4 用于衡量單齒膦配體的空間效應(yīng)的描述符（a: 錐角θ［5］; b: 立體角Ω［7］; c: 掩埋體積百分比%V）Fig.4 Descriptors for measuring the steric effect of monodentate phosphine ligands（a: cone angle θ［5］; b: solid angle Ω［7］; c: the buried volume %V）

Tolman空間參數(shù)和電子參數(shù)是定量和定性理解配體對(duì)過(guò)渡金屬配合物性質(zhì)影響的有力工具. 這些配體參數(shù)對(duì)金屬-配體和配體-底物相互作用的影響是催化劑合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ). 膦配體對(duì)M－P鍵和反應(yīng)活性的空間貢獻(xiàn)和電子貢獻(xiàn)的定量研究, 在很大程度上促進(jìn)了新型過(guò)渡金屬配合物催化活性的發(fā)現(xiàn)和提高.

不飽和化合物羰化反應(yīng)的區(qū)域選擇性調(diào)控對(duì)于直鏈或支鏈羰化產(chǎn)物的定向制備具有重要意義. 眾所周知, 對(duì)于末端烯烴、 二烯烴或末端炔烴的羰化反應(yīng), 受熱力學(xué)因素的限制, 產(chǎn)物主要為支鏈的羰基化合物［12-15］. 研究發(fā)現(xiàn), 相對(duì)于單齒膦配體, 雙齒膦配體更傾向于生成直鏈羰化產(chǎn)物. 在羰化酯化反應(yīng)中, 雙齒膦配體的應(yīng)用十分廣泛, 其雙齒螯合作用提高了催化劑穩(wěn)定性, 并且能提高反應(yīng)區(qū)域和立體選擇性. 但是Tolman的電子和空間參數(shù)很難適用于雙齒膦配體, 原因在于雙齒膦配體骨架兩個(gè)磷原子之間的距離是一個(gè)重要的配體參數(shù).

除了前面提到的立體角Ω和掩埋體積百分比%Vbur, 用于描述雙齒膦配體的參數(shù)還包括口袋角（pocket angle）［16］、 排斥能（repulsive engergy）［17］、 可及分子表面（acessible Molecular Surface, AMS）［18］和自然咬角（natural bite angle）. 其中, 自然咬角很容易通過(guò)簡(jiǎn)單的分子力學(xué)模型計(jì)算得到, 也是雙齒膦配體中應(yīng)用最廣泛的參數(shù). 1990年, Casey等［19］在研究銠催化劑與雙齒膦配體的幾何構(gòu)型對(duì)反應(yīng)選擇性的影響時(shí), 提出了“咬角（bite angle）”的概念（見(jiàn)圖5）. 自然咬角（βn）是指當(dāng)配體-金屬的張力能為0時(shí),配體-金屬-配體（P-M-P）形成夾角的計(jì)算值. Casey認(rèn)為雙齒膦配體具有較大的βn（接近120°）, 同時(shí)有較好的柔韌性, 將有利于提高正構(gòu)醛的區(qū)域選擇性.

圖5 雙齒膦配體自然咬角示意圖［20］Fig.5 Bite angle of bidentate diphosphine ligand［20］

配體咬角的改變通常會(huì)對(duì)空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生兩種效果, 其一是具有較寬咬角的配體對(duì)空間的要求更高,將對(duì)金屬中心的其他配體施加更大的空間排斥; 其二是固定的配體咬角所具有的電子或軌道效應(yīng)可將金屬中心推向首選的幾何形狀.

通過(guò)增加連接兩個(gè)P原子之間的鏈長(zhǎng)可以很容易地改變螯合雙膦的咬角. 1,2-雙（二苯基膦基）乙烷 （dppe, L6）與金屬配位形成非常穩(wěn)定的五元環(huán)螯合物, 當(dāng)碳鏈長(zhǎng)度達(dá)到 C4后, 例如1,4-雙（二苯基膦基）丁烷（dppb, L8）, 配體具有相當(dāng)大的靈活性, 并且螯合能力降低, 有利于形成橋連雙金屬結(jié)構(gòu), 從而導(dǎo)致不同的反應(yīng)途徑和機(jī)制. 為了開(kāi)發(fā)有用的、 更大咬角的配體, 需要更剛性的結(jié)構(gòu), 例如含有芳環(huán)骨架的Xantphos（L16）和BINAP（L17）.

3 鈀配合物催化羰化酯化反應(yīng)

不飽和化合物與CO的催化羰基化在形成 CC 鍵的同時(shí)將羰基官能團(tuán)引入到底物分子中, 從而得到酯、 酸、 醛、 酮等大宗基礎(chǔ)化學(xué)品. 其中, 在過(guò)渡金屬配合物催化劑作用下, 烯烴、 炔烴、 聯(lián)烯等不飽和化合物的羰化酯化反應(yīng)（Reppe羰化反應(yīng)）因產(chǎn)物酯具有穩(wěn)定性好、 應(yīng)用面廣、 需求量大等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛研究（圖6）. 雖然Ru［21-24］、 Rh［25］、 Co［26-29］和Ni［30］的配合物都可以催化羰化酯化反應(yīng)進(jìn)行,但是鈀配合物催化劑的研究最為廣泛也最具吸引力［31-34］.

圖6 不飽和化合物的羰化反應(yīng)Fig.6 Carbonylation of unsaturated compounds

自從二十世紀(jì)六十年代, 鈀催化 Reppe羰化反應(yīng)被首次報(bào)道以來(lái)［35-36］, 由于鈀催化劑與配體的相互作用能夠更好地促進(jìn)和調(diào)控羰化反應(yīng)的進(jìn)行, 使得鈀催化體系得到迅猛發(fā)展［37-38］. 在鈀催化不飽和化合物的羰化酯化反應(yīng)中, 配體不僅能穩(wěn)定各自的金屬中心, 而且能從根本上改變催化劑體系的選擇性和活性［39-40］.

Pd催化羰化酯化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)［41-44］和理論［45］研究表明, 反應(yīng)機(jī)理為金屬氫化物（［Pd-H］+）途徑（圖7）. 以烯烴為例, 首先, 鈀前體在酸助劑作用下生成鈀氫化物活性物種, 隨后烯烴雙鍵與［Pd-H］+配位加成形成鈀烷基中間體, 接著CO配位、 遷移插入Pd－C 鍵得到鈀?；衔? 最后, 親核試劑醇進(jìn)攻鈀?；衔锏玫锦セa(chǎn)物, 同時(shí)釋放［Pd-H］+物種進(jìn)入下一次循環(huán). 在烯烴的羰化酯化反應(yīng)中,由于烯烴插入方式不同以及雙鍵異構(gòu)化, 會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)同時(shí)生成支鏈（支化）和直鏈（線性）酯產(chǎn)物. 一般來(lái)說(shuō), 對(duì)于末端烯烴的羰化酯化, 使用單齒膦配體主要生成支鏈產(chǎn)物, 而使用雙齒膦配體直鏈酯選擇性顯著增加, 尤其是在使用大位阻螯合雙齒膦配體的情況下, 直鏈產(chǎn)物選擇性可達(dá)99.9%. 因此, 深入了解配體性質(zhì)與催化性能之間的關(guān)系, 將使我們能夠通過(guò)合理設(shè)計(jì)配體, 優(yōu)化電子和空間效應(yīng)來(lái)獲得更多性能優(yōu)異的催化劑.

圖7 鈀催化烯烴羰化酯化反應(yīng)的一般機(jī)理Fig.7 General catalytic pathway of palladium-catalyzed carbonylation of alkenes

3.1 鈀-單齒膦配體催化體系

早期鈀催化烯烴的羰化酯化反應(yīng)使用無(wú)膦配體催化體系（如PdCl2/HCl［46］、 PdCl2/CuCl2［47-48］）, 反應(yīng)條件不溫和, 容易產(chǎn)生鈀黑沉積導(dǎo)致催化劑失活,需要加入化學(xué)計(jì)量的氧化劑將Pd（0）再次氧化成Pd（II）. Cavinato等［49］采用［PdCl2（PPh3）2］-PPh3體系催化3-丁烯乙酯的羰化酯化, 發(fā)現(xiàn)在甲苯或 2-丁酮溶劑中, 產(chǎn)物以支鏈酯（甲基丁二酸二乙酯）為主, 但是支鏈產(chǎn)物的選擇性隨PPh3濃度增加而下降. 作者認(rèn)為可以用空間效應(yīng)進(jìn)行解釋, 即在高濃度的PPh3存在下, 幾種催化活性物質(zhì)之間的平衡會(huì)向體積較大、 活性較低的中間體轉(zhuǎn)移, 使直鏈產(chǎn)物選擇性升高, 而產(chǎn)率降低.

使用弱電子給體單齒膦配體可以提高支鏈產(chǎn)物的區(qū)域選擇性, 如圖8所示多氟烷基取代苯基膦配體修飾的鈀配合物［Pd（OAc）2（PAr3F）2］, 在苯乙烯甲氧基羰基化反應(yīng)中, 雖然反應(yīng)速率不及［Pd（OAc）2-（PPh3）2］, 但是, 支鏈產(chǎn)物2-苯基丙酸酯的選擇性明顯高于［Pd（OAc）2（PPh3）2］體系［50］. 通過(guò)對(duì)比［Pd（OAc）2（PAr3F）2］和［Pd（OAc）2（PPh3）2］的31P{1H}NMR-譜發(fā)現(xiàn), 溶液中［Pd（OAc）2（PAr3F）2］由順式和反式異構(gòu)體組成, 而［Pd（OAc）2（PPh3）2］則全部為反式結(jié)構(gòu). 這種含氟配合物容易形成順式異構(gòu)體的趨勢(shì)在催化過(guò)程中發(fā)揮了有益的作用. 作者認(rèn)為含氟配體誘導(dǎo)的空間較少, 傾向于形成更多的順式（膦）鈀配合物中間體, 這可能是 ［Pd（OAc）2（PAr3F）2］催化劑體系中異正比較高的原因.

圖8 含氟單齒膦配體及其鈀配合物［50］Fig.8 The fluorous phosphine ligand and palladium complexe［50］

通過(guò)合理選擇金屬前驅(qū)體和添加配體, 可以對(duì)羰化反應(yīng)的區(qū)域選擇性進(jìn)行調(diào)控. del R??o等［51］詳細(xì)研究了鈀催化苯乙烯氫羧基化反應(yīng)中單齒膦和雙齒膦配體對(duì)區(qū)域選擇性的調(diào)控, 發(fā)現(xiàn)錐角θ＞145°的單齒膦配體與［PdCl2（PhCN）2］組成的催化劑對(duì)支鏈產(chǎn)物有高的區(qū)域選擇性. 作者認(rèn)為無(wú)論單齒膦體系還是雙齒膦體系都經(jīng)歷了Pd-H循環(huán),并且由于空間和電子的原因, 單齒膦配體采取反式配位取向（圖9, 1）. 由于關(guān)鍵中間體2只含有一個(gè)膦配體, 且空間位阻很小, 因此趨向于形成穩(wěn)定的η3-芐基鈀中間體3, 經(jīng)CO配位, 遷移插入得到支鏈產(chǎn)物（圖9）.

圖9 tran-配位中間體向η3-芐基鈀中間體轉(zhuǎn)變［51］Fig.9 The transformation of tran- coordination species to η3-benzyl palladium intermediate［51］

為了更深入地了解控制區(qū)域選擇性的機(jī)制, del R??o等［52］利用原位高壓核磁實(shí)驗(yàn)評(píng)估了膦配體和鈀前驅(qū)體對(duì)苯乙烯羰化區(qū)域選擇性的影響. 作者認(rèn)為單齒膦配體采取反式配位而雙齒膦配體采取順式配位是區(qū)域選擇性控制的關(guān)鍵. 在順式雙齒螯合配合物中, 配位于鈀中心的膦配體取代基與苯乙烯的芳基之間有很強(qiáng)的相互作用, 容易形成直鏈烷基-鈀物種. 而且雙齒膦鈀配合物隨著螯合環(huán)增大其穩(wěn)定性降低, 導(dǎo)致一個(gè)Pd－P鍵斷裂, 形成反式單膦配位, 支鏈產(chǎn)物選擇性增大, 出現(xiàn)和單齒膦配體相類(lèi)似的結(jié)果. 此外, 動(dòng)力學(xué)研究表明, Pd（0）配合物、 鈀氫物種、 鈀烷基物種和鈀?；锓N之間存在反應(yīng)平衡, 因此可逆性似乎對(duì)于區(qū)域選擇性也起著重要作用. 支鏈鈀酰基中間體比線性鈀?；锓N更穩(wěn)定,但是后者與親核試劑的反應(yīng)更快, 因此區(qū)域選擇性在Curtin-Hammett規(guī)則下很難預(yù)測(cè).

通常, 單齒膦配體-鈀催化劑體系需要膦配體過(guò)量, 以保證催化劑的穩(wěn)定. 為了探究單齒膦-鈀配合物能否構(gòu)建性能優(yōu)于雙膦-鈀配合物的催化體系, Fuentes等［53］研究了金剛烷基籠型單齒膦配體CYTOP 292（圖2, L22）在烯烴羰化酯化反應(yīng)中的應(yīng)用. 研究發(fā)現(xiàn)膦鈀比為1的配合物催化劑［Pd（Cl）-（L22）（η3-C3H5）］在低溫、 低催化劑用量下具有優(yōu)異的活性和支鏈產(chǎn)物選擇性. 該配合物在苯乙烯與乙醇的羰化酯化反應(yīng)中的催化效果遠(yuǎn)好于［Pd（Cl）-（PPh3）（η3-C3H5）］, 并且親核試劑可以擴(kuò)展到異丁醇、芐醇和叔丁醇（圖10）.

圖10 ［Pd（Cl）（L22）（η3-C3H5）］催化苯乙烯羰化酯化［53］Fig.10 Alkoxycarbonylation of styrene catalyzed by ［Pd（Cl）（L22）（η3-C3H5）］ ［53］

盡管大多數(shù)研究表明單齒膦有利于支鏈產(chǎn)物的形成, 但是研究者通過(guò)對(duì)配體、 助劑、 反應(yīng)條件等參數(shù)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了單齒膦-鈀配合物催化直鏈酯的選擇性合成. Knifton［54］研究了鈀-單齒膦配合物與第四主族金屬鹵化物組成的催化劑體系（［（p-XC6H4）3P］2-MCl2, X=H、 CH3、 CH3O、 Cl; M= Sn或Ge）對(duì)1-庚烯的羰化酯化反應(yīng), 直鏈酯產(chǎn)物選擇性達(dá)到85%～89%（摩爾分?jǐn)?shù)）. 通過(guò)比較發(fā)現(xiàn), 對(duì)于一系列錐角相似的芳基單齒膦配體, 只有堿性適中的配體可以增強(qiáng)鈀氫物種HPd（SnCl3）（PPh3）L的活性, 促進(jìn)烯烴對(duì)Pd-H的反-馬氏加成, 最終得到直鏈酯產(chǎn)物. 這是由于大體積膦配體和具有強(qiáng)π-電子接收能力的SnCl3-協(xié)同作用產(chǎn)生了具有特殊空間位阻效應(yīng)的催化劑體系. 這種空間約束力既有利于反-馬氏Pd-H加成, 又有助于提高空間位阻較小的σ-烷基鈀和σ-烷?；Z異構(gòu)體的平衡濃度.

脂肪族長(zhǎng)鏈烯烴羰化酯化反應(yīng)的區(qū)域選擇性調(diào)控存在一定挑戰(zhàn), 例如, 由于1-辛烯的異構(gòu)化, 其羰化酯化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生4種C9酯. Alper課題組［55］基于CYTOP 292 的優(yōu)異性能, 以路易斯酸SnCl2或Ti（OiPr）4為添加劑, 開(kāi)發(fā)了PdCl2/CYTOP 292催化體系,實(shí)現(xiàn)了脂肪族長(zhǎng)鏈烯烴羰化酯化反應(yīng)的區(qū)域選擇性調(diào)控. 該體系能夠催化脂肪族烯烴的反-馬氏羰化酯化, 得到以直鏈為主的產(chǎn)物（選擇性在 70%～96%）,產(chǎn)率大于 93%（如圖11所示）. 作者通過(guò)對(duì)比不同膦配體的催化效果, 發(fā)現(xiàn)在相同的反應(yīng)條件下, 只有PdCl2/P（p-MeO-Ph）3體系可與PdCl2/CYTOP 292相媲美, 轉(zhuǎn)化率為100%, 直鏈產(chǎn)物選擇性為93%. 顯然,配體的性質(zhì)是區(qū)域選擇性的關(guān)鍵, 配體錐角和托爾曼電子參數(shù)（TEP）與反應(yīng)活性和區(qū)域選擇性相關(guān)［56］.

圖11 脂肪族烯烴的反-馬氏羰化酯化反應(yīng)［55］Fig.11 The anti-markovnikov alkoxycarbonylation of aliphatic alkenes［55］

長(zhǎng)鏈脂肪族烯烴雙鍵插入Pd－H鍵形成仲碳-鈀中間體（馬氏加成）的空間效應(yīng)增加, 使羰基化反應(yīng)中支鏈產(chǎn)物的選擇性生成更具挑戰(zhàn)性.2016 年, Li等［57］探索了鈀和一系列單齒膦配體催化長(zhǎng)鏈脂肪族烯烴的馬氏羰化酯化反應(yīng). 研究表明, 配體空間位阻的增加有利于形成所需的支鏈產(chǎn)物, 特別是聯(lián)芳基骨架單齒膦配體性能突出, 其中, PdCl2/N-苯基吡咯膦型催化體系具有最佳活性和區(qū)域選擇性. 如表2 所示, 各種脂肪族烯烴包括功能化烯烴生成支鏈產(chǎn)物的產(chǎn)率為71%～97%, 區(qū)域選擇性為49%～99%. 進(jìn)一步, 作者通過(guò)DFT理論計(jì)算證明, 支鏈產(chǎn)物的高區(qū)域選擇性主要由相應(yīng)羰基配位烷基鈀中間體［L2Pd（CO）（isopropyl）］+和［L2Pd（CO）（propyl）］+在熱力學(xué)穩(wěn)定性上的差異決定.

表2 鈀催化烯烴反-馬氏羰化酯化［57］Table 2 The anti-markovnikov alkoxycarbonylation of olefins over palladium catalyst［57］

綜上所述, 單齒膦配體-鈀體系對(duì)區(qū)域選擇性的調(diào)控在很多情況下需要鈀前體、 配體、 助劑和溶劑的協(xié)同作用, 以獲得對(duì)單一構(gòu)型產(chǎn)物滿(mǎn)意的產(chǎn)率和選擇性. 單齒膦配體種類(lèi)繁多, 對(duì)其電子和空間性質(zhì)的研究和應(yīng)用篩選工作量巨大, 隨著數(shù)據(jù)積累、 計(jì)算水平及分析手段的不斷發(fā)展, 基于大規(guī)模數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的催化過(guò)程設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法有望成為基于有機(jī)膦配體的過(guò)渡金屬催化研究快速發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)力之一［58］.

近日, Gensch及合作者［59］開(kāi)發(fā)了一個(gè)覆蓋單齒有機(jī)膦配體的數(shù)據(jù)庫(kù)kraken（圖12）. 利用量子力學(xué)方法, 計(jì)算了1558個(gè)單齒有機(jī)膦配體的描述符,并訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)預(yù)測(cè)超過(guò)30萬(wàn)個(gè)新配體的性質(zhì). 利用kraken可以系統(tǒng)地探索有機(jī)膦配體的性質(zhì)空間, 使基于有機(jī)膦配體的催化劑設(shè)計(jì)成為可能, 促進(jìn)反應(yīng)過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化, 激發(fā)新的配體選擇, 并促進(jìn)新的有機(jī)膦化合物的合成.

圖12 單齒有機(jī)磷配體數(shù)據(jù)庫(kù)kraken［59］Fig.12 Kraken: A comprehensive database of monodentate phosphorus ligands［59］

3.2 鈀-雙齒膦配體催化體系

雙齒膦配體的螯合配位效應(yīng)可以有效穩(wěn)定金屬中心, 并強(qiáng)烈影響金屬中心的化學(xué)性質(zhì), 因此催化性能對(duì)配體環(huán)境的變化很敏感. 典型的雙齒膦配體dppe（L6）在1959 年被報(bào)道［60］, 隨后, Cannel 等［61］將其用于鈷催化的氫甲?；磻?yīng), 但是與無(wú)膦羰基鈷體系相比性能沒(méi)有顯著變化. 由于雙齒螯合配位作用降低了催化循環(huán)中配體的解離傾向, 使得催化條件下的中間體結(jié)構(gòu)更加明確, 近些年來(lái), 研究人員對(duì)雙齒膦配體在羰化反應(yīng)中的重要作用進(jìn)行了大量研究.

一般來(lái)說(shuō), 雙齒膦配體的性質(zhì)及其配合物的催化性能可以通過(guò)改變配體的主鏈及P原子上取代基來(lái)調(diào)變. 4,5-雙二苯基膦-9,9-二甲基氧雜蒽（L16, Xantphos）配體最早由van Leeuwen等［62］設(shè)計(jì)合成, 具有特殊的富電子性和較大的空間位阻, 是羰基化反應(yīng)最著名的雙齒膦配體之一. 在調(diào)控Pb配合物催化活性和選擇性方面,研究較多的是許多大位阻雙齒膦配體, 如1,2-雙（二叔丁基膦甲基）苯［63-64］（L13, dtbpx）、 1,2-雙（二叔丁基膦）苯［65-66］（L12）、 1,3-雙（二叔丁基膦）丙烷［67］（L10, dtbpp）、 雙（二苯基膦甲基）雙環(huán)庚烷［68］（L11）、 雙（磷雜金剛烷基）烷烴［69-70］（L23和L24）和雙（二苯基膦基）茂金屬［71］.

雙齒膦配體自然咬角的變化對(duì)催化選擇性有重要影響［72-75］, 例如, Freixa和van Leeuwen［76］對(duì)雙齒膦配體咬角效應(yīng)對(duì)銠催化氫甲?；磻?yīng)、 鎳催化氫氰化反應(yīng)和鈀催化乙烯羰化合成聚酮或丙酸甲酯反應(yīng)的影響進(jìn)行詳細(xì)研究, 并指出P-M-P咬角對(duì)3種反應(yīng)的選擇性和反應(yīng)速率起著至關(guān)重要的作用. 為更加合理地解釋咬角的影響, 雙齒膦配體的咬角被分解為空間咬角效應(yīng)和電子咬角效應(yīng)以區(qū)分不同的作用方式. 分析認(rèn)為, 氫甲?；磻?yīng)的區(qū)域選擇性主要由空間因素決定, 而反應(yīng)速率則由咬角的電子效應(yīng)決定, 鈀催化羰基化反應(yīng)的選擇性主要受位阻因素的影響.

雙齒膦-鈀配合物催化羰化酯化反應(yīng)對(duì)咬角依賴(lài)關(guān)系的最具顯示度的證據(jù)之一, 是CO/乙烯共聚和乙烯的羰化酯化之間的微妙平衡（圖13）.

圖13 乙烯羰化酯化和共聚反應(yīng)［77］Fig.13 Alkoxycarbonylation and copolymerization of ethene［77］

丙酸甲酯（MeP）是CO/乙烯共聚反應(yīng)的最小可能產(chǎn)物, 由兩個(gè)單體插入后立即發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生.因此, 共聚和烷氧羰基化之間的選擇性控制意味著在鏈增長(zhǎng)和鏈轉(zhuǎn)移之間進(jìn)行調(diào)控, 這恰好能通過(guò)配體的修飾來(lái)實(shí)現(xiàn). 最具活性和 MeP 選擇性的配體是那些在P上具有大體積取代基和/或大咬角的配體,例如, 基于L10或L13的催化劑以大于99.9%的選擇性產(chǎn)生MeP, 但基于L7或L14的催化劑則生成乙烯/CO共聚低聚物和聚酮, 這表明在影響催化劑羰化酯化效率方面, 配體空間效應(yīng)比電子效應(yīng)更重要.

實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算都表明雙齒膦配位的Pd中心周?chē)目臻g擁擠程度是羰化酯化選擇性和活性的決定性因素. 例如, Ahmad等［78］通過(guò)量化計(jì)算研究比較了dtbpx和dmpx［1,2-雙（二甲基膦甲基）苯］的空間體積對(duì)Pd催化乙烯羰化酯化活性的影響, 結(jié)果表明含大位阻取代基的dtbpx破壞了最低能量中間體（MARI）的穩(wěn)定性, 降低了最高能量過(guò)渡態(tài)（HETS）的勢(shì)能, 從而降低了總反應(yīng)的能壘, 提高了反應(yīng)活性. 而dmpx由于空間體積減小, 穩(wěn)定了MARI, 在一定程度上提高了HETS的勢(shì)能, 從而增加了總反應(yīng)能壘. 這些結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察完全一致,隨著雙齒膦配體體積的增加, 對(duì)酯化反應(yīng)的選擇性和反應(yīng)速率也增加.

在不飽和植物油的異構(gòu)/羰化酯化反應(yīng)中, 通過(guò)對(duì)［（dtbpx）Pd（OTf）2］和［（dmpx）Pd（OTf）2］的對(duì)比研究, 也證明大位阻的dtbpx更傾向于形成直鏈Pd-烷基物種, 而相應(yīng)直鏈Pd-?；锓N醇解的能壘也較低, 轉(zhuǎn)化速率快［79］. van Leeuwen及其同事［76,80-81］在配體咬角對(duì)催化活性和選擇性的影響方面做了很多研究. 利用QM/MM研究鈀催化羰化反應(yīng)中還原消除步驟, 結(jié)果表明, 寬咬角配體使反應(yīng)物失穩(wěn), 使過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定, 加速了反應(yīng)的進(jìn)行, 從而將Pd-雙齒膦配合物的咬角與反應(yīng)速率關(guān)聯(lián)起來(lái).

Pd配合物催化芳基烯烴羰化酯化通?？色@得較高的線性產(chǎn)物, 區(qū)域選擇性與雙齒膦的順式配位方式以及P-Pd-P咬角之間存在相關(guān)性. 具有寬咬角的DPEphos（咬角102.7°）和Xantphos（咬角110°）在苯乙烯羰化反應(yīng)中提供了高轉(zhuǎn)化率和幾乎全部的線性產(chǎn)物. 2004年, Bianchini等［82］報(bào)道了4種1,1’-雙（二苯基膦）茂金屬-Pd（II）催化劑在苯乙烯羰化酯化反應(yīng)中的催化性能, 4種催化劑均得到線性產(chǎn)物（3-苯基丙酸甲酯區(qū)域選擇性高達(dá)85%）（圖14）. 雖然線性區(qū)域選擇性的原因仍然是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題, 但是作者認(rèn)為P原子上苯基與支鏈烷基苯的相互作用所產(chǎn)生的空間位阻是形成直鏈型酯的決定因素［51,83］. 相比于催化劑1（咬角96.37°）和3（咬角97.47°）, 含八個(gè)甲基的催化劑2 具有最大P-Pd-P咬角（101.3°）, 因此在空間上4個(gè)苯環(huán)更靠近配位的烷基, 從而表現(xiàn)出最好的直鏈選擇性.

除了咬角效應(yīng), 其他參數(shù)如電子效應(yīng)和空間效應(yīng)在決定區(qū)域選擇性的步驟中所起的重要作用也必須考慮. 2006 年, van Leeuwen小組［84］報(bào)道了雙齒膦配體電子效應(yīng)對(duì)鈀催化苯乙烯羰化酯化反應(yīng)影響的研究, 提出雙齒膦配體的電子效應(yīng)能夠控制苯乙烯羰化酯化反應(yīng)的區(qū)域選擇性, 使用缺電子的類(lèi) DPEphos雙齒膦配體（圖14）能夠提高支鏈酯類(lèi)產(chǎn)物的產(chǎn)率, 苯乙烯羰化酯化產(chǎn)物支鏈和直鏈比為74/26.

圖14 1,1’-雙（二苯基膦）茂金屬-Pd（II）催化劑及類(lèi)DPEphos配體結(jié)構(gòu)［82,84］Fig.14 1,1’-Bis（phosphine）metallocenes-Pd（II） catalysts and DPEphos analogue［82,84］

最近, Tay等［85］合成了一系列芳基橋聯(lián)的含Phobane基團(tuán)的雙齒膦配體（圖15）, 研究了這些配體對(duì)鈀催化烯烴羰化反應(yīng)的影響. 含Phobane基團(tuán)的單齒膦配體PhobPR（烷基-9-膦雜雙環(huán)壬烷［3.3.1］）最早由Shell公司用于鈷催化烯烴還原氫甲?；苯又苽湎礈靹┐迹?6］. Phobane及相關(guān)配體中C－PC橋基的應(yīng)變力影響了孤對(duì)電子軌道的性質(zhì), 從而改變了最高占有軌道（HOMO）的能量, 并調(diào)節(jié)配位P原子的σ-給體和π-受體性質(zhì). 因此, 這類(lèi)配體通常具有較弱的σ-電子給體和較好的π-電子受體能力. 由于Phobane的合成涉及到使用危險(xiǎn)的PH3,因此, 有關(guān)此類(lèi)配體的報(bào)道并不多.

圖15 芳基橋聯(lián)含Phobane雙齒膦配體［85］Fig.15 Aryl bridging bidentate phosphine ligands containing Phobane［85］

Tay將圖15 的配體用于鈀催化1-辛烯在2-乙基己醇溶劑中的羰化反應(yīng), 發(fā)現(xiàn)不同的配體對(duì)產(chǎn)物選擇性有顯著的影響. 使用乙基橋聯(lián)的配體BCOPE主要生成壬醇（95%選擇性）, 而芳基橋聯(lián)的配體受芳環(huán)上取代基的影響, 產(chǎn)物選擇性發(fā)生了較大變化. 其中含給電子取代基的配體（L30和L31）有利于發(fā)生還原氫甲酰化生成醇, 而含吸電子取代基的配體（L28）則有利于羰化酯化反應(yīng)生成壬酸2-乙基己酯（73%選擇性）. 根據(jù)羰化酯化過(guò)程醇解步驟的機(jī)理（圖16）, 配位于Pd中心的醇失去質(zhì)子后, 形成中間體1, 隨后發(fā)生還原消除得到產(chǎn)物酯. 配體L28上CF3基團(tuán)的吸電子效應(yīng)使電子云密度遠(yuǎn)離P原子, 導(dǎo)致金屬中心更加親電, 從而極化配位醇分子的OH鍵, 促使H+脫除, 加速了醇解步驟的速率.

圖16 羰化酯化過(guò)程醇解機(jī)理［85］Fig.16 Mechanism of alcoholysis process foralkoxycarbonylation［85］

內(nèi)烯雙鍵的反應(yīng)性通常較低, 利用含螯合雙齒膦配體的金屬配合物催化性能對(duì)配位環(huán)境的變化較敏感的特性, 可以通過(guò)配體電子和空間性質(zhì)來(lái)影響催化劑在內(nèi)烯烴羰化酯化反應(yīng)中的活性和選擇性.例如,meso/rac-L24與Pd（OAc）2組成的催化劑在內(nèi)十四烯羰化酯化反應(yīng)中, 產(chǎn)物正異比達(dá)到78∶22,與α-十四烯結(jié)果相近, 但是反應(yīng)速率僅為后者的0.4倍, 說(shuō)明內(nèi)烯異構(gòu)是限速步驟, 線性產(chǎn)物選擇性高是末端烯的羰基化速率快的結(jié)果［70］. 配體L10（dtbpp）和L24主鏈均為-（CH2）3-, 但L10-Pd（OAc）2幾乎沒(méi)有異構(gòu)/羰基化反應(yīng)的活性, 兩者性能的差異與L24籠狀結(jié)構(gòu)特殊的電子和立體特性密切相關(guān).通過(guò)測(cè)量化合物Ni（CO）2（diphos）的紅外羰基伸縮振動(dòng)吸收峰νCO來(lái)表征meso/rac-L24的σ-/π-電子性質(zhì), 當(dāng)diphos =meso/rac-L24時(shí), νCO為2002 cm-1,遠(yuǎn)高于L10（1976 cm-1）, 也略高于L8（dppp, 1997 cm-1）, 因此可以推斷, L24配體的P原子電子性質(zhì)與二芳基膦片段更相近, 屬于弱的σ-供體/好的π-受體.

meso-L24-Pd 和rac-L24-Pd 在丙烯及C11/C12內(nèi)烯羰化酯化反應(yīng)中表現(xiàn)出不同的催化活性, 前者活性大約為后者的2倍, 再次證明螯合配位的鈀催化劑結(jié)構(gòu)的微妙變化也會(huì)對(duì)催化活性產(chǎn)生很大影響.

Behr等［87］在研究油酸甲酯羰化酯化制二酯類(lèi)化合物的反應(yīng)中也觀察到配體的電子和空間性質(zhì)對(duì)反應(yīng)速率以及異構(gòu)化過(guò)程的影響（圖17）. 以［Pd2-（dba）3］為催化劑前體, 不同的雙齒膦配體顯示出不同的反應(yīng)結(jié)果, 其中dtbpx配體具有非常好的內(nèi)烯烴異構(gòu)/羰化酯化活性（轉(zhuǎn)化率80%, b∶l=19∶81）.Cole-Hamilton小組［64］也曾報(bào)道過(guò)在［Pd2（dba）3］-dtbpx催化體系下, 無(wú)論是末端烯烴還是內(nèi)烯烴, 都能轉(zhuǎn)化為末端直鏈酯類(lèi)產(chǎn)物, 其中直鏈選擇性達(dá)到98%, 說(shuō)明該配體有利于內(nèi)烯異構(gòu)到端位, 而且僅對(duì)端位烯烴羰化酯化有促進(jìn)作用. 使用電子效應(yīng)相似、 咬角更大的L33, 則完全沒(méi)有催化活性. 作者發(fā)現(xiàn)Xantphos（L16）表現(xiàn)出與L13相近的活性, 但產(chǎn)物選擇性相反（轉(zhuǎn)化率70%,b∶l=77∶23）. 氧雜蒽骨架的Xantphos配體是一類(lèi)具有蝴蝶型結(jié)構(gòu)的大位阻配體, 配位原子可以很好地與許多過(guò)渡金屬配合形成配合物, 咬角遠(yuǎn)大于90°, 因此Xantphos與Pd通常形成反式配位化合物［88］, 而這種反式配位有利于內(nèi)雙鍵參與反應(yīng). 通過(guò)改變Xantphos骨架上C10位點(diǎn)的基團(tuán), 可以誘導(dǎo)咬角的微小變化, 使鍵合模式發(fā)生改變, 其催化活性隨之發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變. 如使用圖17中配體Nixantphos, L34（咬角114°）, 反應(yīng)轉(zhuǎn)化率只有20%, 證明配體咬角的改變對(duì)催化活性有極大影響. 改變P原子上取代基, 調(diào)變催化劑的酸堿性,發(fā)現(xiàn)L35完全沒(méi)有活性, 說(shuō)明配體電子效應(yīng)在催化循環(huán)中同樣發(fā)揮了重要作用.

圖17 油酸甲酯羰化酯化［87］Fig.17 Alkoxycarbonylation of methyl oleate［87］

在異構(gòu)/羰化酯化反應(yīng)中具有高區(qū)域選擇性的雙齒膦配體的共同特征是具備剛性的骨架、 相對(duì)寬的P -M- P咬角（～ 100°）和P原子上大體積叔烷取代基. 基于此, Nobbs等［89］設(shè)計(jì)合成了新型膦配體BPX（L18）. BPX與Pd（OAc）2組成的催化體系能夠很好地催化末端烯烴、 內(nèi)烯烴、 官能化烯烴的羰化酯化反應(yīng), 高選擇性生成末端酯, 表現(xiàn)出比Pd-dtbpx體系更優(yōu)越的性能（圖18）.

圖18 BPX與dtbpx在tran-4-辛烯羰化酯化反應(yīng)中的比較［90］Fig.18 Comparison of BPX and dtbpx in methoxycarbonylation of tran-4-octene［90］

BPX配體與dtbpx結(jié)構(gòu)相似, 咬角接近, 不同的是BPX上的P原子被限制在一個(gè)含有吸電子羰基的六元雜環(huán)中, 這導(dǎo)致BPX和dtbpx電子效應(yīng)的不同. 紅外光譜和酸堿性研究證明, BPX的堿性比dtbpx弱很多, 因此向金屬中心提供電子的能力降低.［（BPX）Pd（O2CCF3）2］晶體結(jié)構(gòu)也證明六元雜環(huán)C-P-C 夾角（～106°）相比于dtbpx-Pd 配合物中C（tBu）-P-C（tBu）夾角（～110°）變小, 使得P原子孤對(duì)電子的σ-供體性質(zhì)減弱, 而π-受體性質(zhì)變強(qiáng). 機(jī)理研究表明, 更缺電子的Pd-?；锓N有利于MeOH進(jìn)攻和H+脫除, 從而加速醇解步驟的速率, 所以擁有親電性更強(qiáng)的Pd中心的Pd-BPX表現(xiàn)出了高的催化活性, 而大體積BPX所創(chuàng)造的空間配位環(huán)境被認(rèn)為是促進(jìn)線性選擇性的關(guān)鍵.

Fanjul等［91］基于dtbpx和dppx在乙烯羰化酯化反應(yīng)中完全不同的活性和產(chǎn)物選擇性, 設(shè)計(jì)了非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的雙齒膦配體A, 與Pd組成的乙烯羰化酯化催化劑具有優(yōu)異的選擇性和高活性, 并且比商用催化劑更穩(wěn)定（圖19）. 通過(guò)對(duì)Pd、 Pt模型配合物的深入研究, 證明大體積的PtBu2基團(tuán)控制著Pd-A配合物的立體結(jié)構(gòu), 其產(chǎn)生的重要結(jié)果是使關(guān)鍵中間體A1 的丙酰基處于PtBu2的反位（圖20）, 這和僅生成丙酸甲酯（MeP）的Pd-dtbpx體系的關(guān)鍵中間體類(lèi)似.

圖19 乙烯羰化酯化不同Pd-P催化體系對(duì)照［91］Fig.19 Comparison of various Pd-P catalysts in the methoxycarbonylation of ethene［91］

圖20 非對(duì)稱(chēng)雙齒膦配體及化學(xué)選擇性確定步驟中關(guān)鍵中間體結(jié)構(gòu)［77］Fig.20 Unsymmetrical diphos ligands and the key intermediates［77］

在此基礎(chǔ)上, Fanjul等［77,92］又相繼發(fā)展了一系列基于鄰二苯基骨架的非對(duì)稱(chēng)雙齒膦配體（圖20）,并獲得了一些初步的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系, 也證明了對(duì)于非對(duì)稱(chēng)雙齒膦-Pd配合物, 關(guān)鍵中間體A1相對(duì)于A2 的動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)是 MeP 出乎意料的高選擇性的原因. Fanjul等的工作也說(shuō)明鄰二甲苯基雙膦只需要一個(gè)體積龐大的P配位基即可形成非常有效的羰化酯化催化劑, 從而為配體設(shè)計(jì)提供了一些新思路.

2015 年, Holzapfel 和Bredenkamp［93］針對(duì)1-辛烯的羰化酯化反應(yīng)比較了一系列膦配體的作用, 發(fā)現(xiàn)二茂鐵骨架的非對(duì)稱(chēng)雙齒膦配體表現(xiàn)出極好的催化活性和穩(wěn)定性. 作者認(rèn)為, 此類(lèi)配體包含一個(gè)大體積缺電子P配位基和一個(gè)大體積富電子P配位基,并具有半穩(wěn)定三齒配位的能力, 顯示出反應(yīng)速率和穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì).

3.3 鈀-半穩(wěn)定雙齒膦配體催化體系

半穩(wěn)定配體（hemilabile ligands）通常定義一類(lèi)多齒配體, 其配位原子的給電子能力和極化度（軟硬度）不同, 其中軟配位原子形成較強(qiáng)配位鍵, 在反應(yīng)中不易斷開(kāi), 而硬配位原子配位鍵較弱, 易脫配位被取代. 常見(jiàn)的硬配位原子包括O、 N等雜原子,容易在催化循環(huán)中形成弱配位, 從而產(chǎn)生意料外的結(jié)果.

2017年, Beller課題組［94］在經(jīng)典配體dtbpx（L13）和Ph2P（2-Py）（L2）的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了新型配體Pytbpx（L20）, 希望能實(shí)現(xiàn)四甲基乙烯的選擇性異構(gòu)/羰化酯化反應(yīng). 根據(jù)Pd-H循環(huán)機(jī)理, 加入堿可促進(jìn)醇解步驟, 但是不利于內(nèi)烯異構(gòu), 因此在dtbpx配體中部分地引入兩性基團(tuán)（吡啶基）作為“質(zhì)子梭子”來(lái)傳遞質(zhì)子促進(jìn)親核試劑對(duì)鈀-?；虚g體親核進(jìn)攻,加快醇解步驟的速率, 同時(shí)保留大體積叔丁基協(xié)同促進(jìn)雙鍵異構(gòu)（圖21 a）. Pd-Pytbpx體系解決了多取代內(nèi)烯的羰化酯化反應(yīng)活性低的問(wèn)題, 并且還能高效催化乙烯的羰化酯化反應(yīng), 反應(yīng)TON ＞ 1 425 000,TOF: 44 000 h-1, 總產(chǎn)率為85%, 選擇性 ＞ 99%.

圖21 半穩(wěn)定雙齒膦-鈀體系催化烯烴羰化酯化［94］Fig.21 Alkoxycarbonylation catalyzed by hemilabile bidentate P-Pd catalyst［94］

同年, Beller小組［95］又發(fā)展了一系列新型的二茂鐵類(lèi)半穩(wěn)定雙齒膦配體, 二茂鐵骨架穩(wěn)定、 可塑性強(qiáng), 在P原子上連接空間位阻較大的兩性基團(tuán), 提高了羰化酯化反應(yīng)的活性, 使乙烯在80 ℃, 10 min內(nèi)完全轉(zhuǎn)化為丙酸甲酯. Pd-L21體系與Pd-dtbpx相比活化能大幅降低, 甚至在室溫下也能實(shí)現(xiàn)乙烯和丙烯高效轉(zhuǎn)為相應(yīng)的酯, 為烯烴羰化酯化反應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用開(kāi)辟出新的催化體系（圖21 b）.

隨后, Dong等［40］對(duì)該體系進(jìn)行了機(jī)理研究, 并進(jìn)一步研究了配體L21對(duì)羰化酯化反應(yīng)實(shí)質(zhì)性的影響. 作者提出一種類(lèi)似于dtbpx-Pd體系的 Pd-H機(jī)制,所不同的是L21中2-吡啶基團(tuán)具有多種功能. 一方面, 2-吡啶基作為“質(zhì)子梭子”用于形成Pd-H物種和決速步驟的N輔助醇解, 形成穩(wěn)定化的過(guò)渡態(tài)（圖22, TS）; 另一方面, 能夠通過(guò)吡啶N原子與Pd中心的半穩(wěn)定配位來(lái)提高催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（圖22,S-2D）. 作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算證實(shí)了這種金屬-配體的協(xié)同作用.

圖22 Pd-L21催化烯烴羰化酯化反應(yīng)機(jī)理［40］Fig.22 Proposed mechanism for the alkoxycarbonylation using Pd-L21［40］

2019年, Beller小組［96］將非對(duì)稱(chēng)配體設(shè)計(jì)理念用于構(gòu)建非對(duì)稱(chēng)的半穩(wěn)定雙齒膦配體HeMaRaphos（圖23）, 配體結(jié)構(gòu)中大位阻、 富電子二叔丁基膦基團(tuán)促進(jìn)雙鍵的快速異構(gòu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)高選擇性, 叔丁基-2-吡啶基膦基團(tuán)則促進(jìn)鈀氫活性物種的形成并加速醇解步驟實(shí)現(xiàn)高反應(yīng)活性. HeMaRaphos與Pd配位實(shí)現(xiàn)了1,3-丁二烯的高選擇性雙羰化酯化直接制備己二酸二酯. 在工業(yè)上可行的條件下, Pd（TFA）2/HeMaRaphos/PTSA催化體系具有高達(dá)97%的選擇性和100%的原子經(jīng)濟(jì)性, 轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）超過(guò)60 000, 并且能夠?qū)崿F(xiàn)200 g規(guī)模的己二酸二丁酯合成.

圖23 Pd（TFA）2/HeMaRaphos/PTSA體系催化1,3-丁二烯雙羰化酯化［96］Fig.23 Pd（TFA）2/HeMaRaphos/PTSA-catalyzed dicarbonylation of 1,3-dienes［96］

4 結(jié)論與展望

同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性是羰化酯化的一個(gè)挑戰(zhàn), 利用膦配體的電子效應(yīng)和空間效應(yīng)來(lái)影響和調(diào)控鈀催化劑的活性和選擇性是解決該問(wèn)題的最有效途徑. 在過(guò)去的幾十年里, 圍繞有機(jī)膦配體修飾的鈀催化過(guò)程開(kāi)展了大量的研究工作, 取得了一系列重要成果和進(jìn)展. 例如, 膦配體的定性和定量配體參數(shù)成為研究配體效應(yīng)的有力工具; 基于對(duì)配體效應(yīng)、 催化機(jī)理深刻理解而發(fā)展的非對(duì)稱(chēng)雙齒膦配體、 半穩(wěn)定膦配體在羰化酯化反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越的性能, 具備了工業(yè)催化劑開(kāi)發(fā)的條件.

雖然膦配體電子和空間效應(yīng)對(duì)活性和選擇性調(diào)控的研究成為新配體理性設(shè)計(jì)、 新催化體系構(gòu)建的有利工具, 但是考慮到羰化酯化過(guò)程所涉及的復(fù)雜動(dòng)力學(xué), 反應(yīng)速率取決于壓力、 溫度、 反離子和膦配體, 仍然很難預(yù)測(cè)實(shí)際的效果, 因此該領(lǐng)域尚有很多方面值得探索.

4.1 雖然Pd-H循環(huán)是普遍接受的機(jī)理, 但是,配體在關(guān)鍵步驟所起的作用仍然并不十分清楚, 仍需要開(kāi)發(fā)更普適性的配體定性和定量配體參數(shù), 從中尋找規(guī)律, 指導(dǎo)新配體設(shè)計(jì).

4.2 鈀催化羰化酯化過(guò)程和速率受到配體、 陰離子、 酸、 溶劑、 壓力等因素影響, 對(duì)于一些特定底物, 如高級(jí)烯烴、 二烯烴, 配體的調(diào)控作用可能非常不同, 這些研究或?qū)a(chǎn)生意料外的結(jié)果.

4.3 半穩(wěn)定配位膦配體可直接參與底物或中間體的活化和/或識(shí)別, 與金屬中心協(xié)同作用, 降低關(guān)鍵過(guò)渡態(tài)的能量, 加速速控步速率. 雖然內(nèi)置的堿性基團(tuán)被認(rèn)為是增強(qiáng)活性的原因, 但直到現(xiàn)在它的確切作用還不十分清楚. 顯然, 更好地理解這種實(shí)質(zhì)性影響對(duì)于合理設(shè)計(jì)先進(jìn)的工業(yè)催化劑具有重要意義.

4.4 隨著理論計(jì)算方法的發(fā)展, 其在催化劑開(kāi)發(fā)中越來(lái)越重要, 借助對(duì)已有催化反應(yīng)的理解, 以及計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步, 加快發(fā)展膦配體計(jì)算方法和描述符, 建立配體庫(kù), 將為快速發(fā)現(xiàn)更優(yōu)異的配體類(lèi)型提供可能.