Nature Reviews Chemistry：N-雜環卡賓的化學及應用研究進展

【研究背景】

N-雜環卡賓（NHC）被歸類為有機實體，其特征是在氮雜環系統內的價殼中只有6個電子的二價碳原子（因此稱為卡賓）。與大多數碳系相比，NHC是一種穩定的化合物，通常可以分離和儲存。大多數碳系本質上不穩定，在沒有任何其他穩定特征的情況下，僅作為有機過程中的瞬態中間體存在（例如環丙烷化和C-H插入）。盡管N-雜環卡賓在三十年前就已經被分離出來并進行了表征，但它作為多功能、模塊化和強配位的部分仍然引起了科學家們的興趣。在過去十年中，由于對其行為的基本認識日益完善，新卡賓框架的出現和令人信服的可持續性問題，N-雜環卡賓在幾個不同領域的利用率大幅增加。

【成果簡介】

近日，德國明斯特大學Frank Glorius教授和柏林自由大學Matthew N. Hopkinson教授聯合綜述了N-雜環卡賓的歷史、性質及其在過渡金屬催化、表面化學、主族化學和有機催化中的應用。重點放在過去七年出現的發展和展望未來的方向上。該論文近日以題為“Recent advances in the chemistry and applications of N-heterocyclic carbenes”發表在知名期刊Nature Reviews Chemistry上。

【圖文導讀】

圖一、N-雜環卡賓的合成和應用時間表

圖二、近期N-雜環卡賓的主要進展，結構特征

（a）過去七年中涉及N-雜環卡賓（NHC）的主要進展概述。

（b）NHC的主要結構特征。

（c）對一些公認的和新興的NHC類別的討論。

圖三、N-雜環卡賓在過渡金屬催化和表面改性中的應用

（a）選定的過渡金屬同質系統，從成熟的系統到最近開發的新型催化劑體系。

（b）N-雜環碳化物（NHC）-過渡金屬復合物促成的新的合成轉化。

（c）環狀（烷基）（氨基）卡賓配體在有機發光二極管（OLED）中的應用。

圖四、N-雜環碳化物的表面應用

（a）基于N-雜環卡賓（NHC）的表面改性的最新進展的主要特征。

（b）NHC在金屬表面（掃描隧道顯微鏡圖像）、納米棒（透射電子顯微鏡圖像）和納米團簇（X射線衍射結構）穩定的實例。

圖五、N-雜環碳化物引起的主族化學的進展

（a）開殼和閉殼物種穩定化的部分例子。

（b）模仿過渡金屬元素步驟的N-雜環碳化物（NHCs）對惰性鍵的激活。

（c）選定的主族加合物作為配體。

圖六、N-雜環碳化物的有機催化應用及展望

（a）N-雜環碳化物（NHC）—有機催化策略總結。

（b）雙NHC-過渡金屬催化的選定示例。

（c）將NHC的能力從雙電子擴展到單電子過程。

【結論展望】

正如在2014年的回顧中所預期的那樣，NHC繼續在學術界和工業界的許多領域找到新的和令人興奮的作用。在過去七年中，它們在表面化學中的應用，以及在有機催化和穩定主要基團物種方面的新方向，都得到蓬勃發展。所有這些發展都源于這類小分子的關鍵特征，即：（1）強給電子能力；（2）電子和空間特性的可調性；（3）直接的合成可及性；（4）對金屬中心和非金屬物種的高親和性。正如最近在開發CAACs和DACs方面取得的令人印象深刻的進展所證明的那樣，我們設想將來會發現新的NHC支架，其特性更加獨特。這些進展有望緩解多相催化領域應用相對匱乏的問題。在有機催化領域，最近設計了向雙催化方法的過渡，主要基于貴金屬。鑒于NHC穩定其他難以捉摸的主族物種的顯著能力，我們相信，類似的穩定未開發的碳基中間體的方法將為有機催化和其他領域開辟新的途徑。隨著對其基本性質的進一步了解和對新的和已確立的實際應用的進一步研究，NHC將繼續推動科學發展。

文獻鏈接：Recent advances in the chemistry and applications of N-heterocyclic carbenes (Nature Reviews Chemistry. 2021, DOI: 10.1038/s41570-021-00321-1)

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