"A change-your-partners dance" in catalysis chemistry—Nobel Prize in Chemistry 2005

Chai Songhai, Wang Haopeng, Xu Boqing
(Innovative Catalysis Program, Key Laboratory of Organic Optoelectronics & Molecular Engineering of Education Ministry, Department of Chemistry, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract Frenchman Yves Chauvin and Americans Robert H. Grubbs and Richard R. Schrock shared the Nobel Prize in Chemistry 2005. This is the ninth time that research work in catalysis chemistry was selected for Nobel Prize in Chemistry. Chauvin was the first to propose the metal-carbene catalytic mechanism for olefin metathesis reaction. Schrock and Grubbs developed the efficient and practical Mo or W based carbene metathesis catalysts that have extremely extended the application of metathesis in organic chemistry and made metathesis become common synthetic methods for producing many new complicated organic molecules. This short article outlines the most important contributions of the three Laureates for the development and application of olefin metathesis catalysts and their related chemical synthesis.
Keywords Nobel Prize in Chemistry, catalysis chemistry, metal-carbene catalysts, metathesis

柴松海 王昊鹏 徐柏庆
（清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室，分子催化与定向转化研究室，北京 100084）

    复分解催化反应的最早是在1957年由美国Standard Oil公司和杜邦公司的化学家们分别报道的丙稀歧化反应和降冰片烯开环聚合反应（图2），其中丙稀歧化生产乙烯和丁烯的工艺于1966年实现了工业化。然而在随后十几年中，由于对烯烃复分解催化反应的催化剂和催化作用本质缺乏正确的认识，有关的研究主要局限在Mo或W基负载型催化剂上直链烯烃的歧化以及环烯烃的开环聚合等少数反应上。那时的化学家们很难预料烯烃复分解催化反应在开拓有机合成方法方面会有多大的潜力。

图2 （a）丙烯歧化反应；（b）降冰片烯开环聚合反应
Fig. 2 (a) Propylene disproportionation; (b) Ring-opening polymerization of norbornene

图3 不同类型的复分解催化反应
Fig. 3 Different types of metathesis reactions

    烯烃复分解催化反应的在近30年来的发展及其广泛应用要归功于Chauvin、Grubbs和Schrock三位化学家在阐明复分解催化反应的金属卡宾催化机理以及研发新型实用的Mo、Ru卡宾催化剂方面所作的工作。他们的研究成果极大地丰富了复分解催化反应的类型（图3），使复分解催化反应得以取代许多传统的有机合成方法，用于合成许多复杂有机分子，如精细化学品、药物、天然产物、功能高分子材料等。这些新的合成过程更加简单、快捷和高效，有力地推动了有机合成化学向绿色化学的发展。
    基于金属卡宾催化剂的复分解催化反应此次获奖是诺贝尔化学奖第九次将该奖项授予催化化学原理、新催化剂及催化工艺方面的研究工作，前八次获奖工作分别是粉末金属加氢催化剂（Sabatier，1912年）、合成氨催化剂（Haber，1918年）、高压合成氨催化工艺（Bosch和Bergius，1931年）、表面吸附理论及一氧化碳氧化催化原理（Langmuir，1932年）、合成高分子材料的Ziegler-Natta催化剂（Ziegler和Natta，1963年）、核糖核酸RNA的催化作用（Altman和Cech，1989年）、超强酸本质及其催化作用（Olah，1994年）和不对称催化合成（Knowles、Noyori和Sharpless，2001年），这充分说明了催化化学在化学学科中的重要地位。此外，从今年复分解催化反应获奖和2001年不对称催化合成获奖也可看出，催化化学同有机合成化学之间交叉渗透程度日益增加，而催化化学（催化剂设计和选择以及催化作用机理的研究）在传统有机合成化学向绿色化学的发展过程中将发挥至关重要的作用。
    以下对复分解催化反应的发展历程，以及三位获奖者的具体贡献做简单介绍。

1 复分解催化反应发展简史
    1957年，美国Standard Oil公司的Peters和Evering发现了丙稀在MoO₃/Al₂O₃-Al(i-C₄H₉)₃催化剂作用下歧化生成乙烯和丁烯的反应；同年美国杜邦公司的Eleuterio在MoO₃/Al₂O₃-LiAlH₄催化剂上进行环烯烃降冰片烯的聚合反应时得到了具有不饱和碳链的开环聚合产物。这是最早有关烯烃复分解催化反应的报道。1966年，加拿大Shawinigan公司采用美国Phillips石油公司技术，建成首套丙稀歧化制乙烯和丁烯的工业装置，该工艺采用WO₃/SiO₂为催化剂。1967年，美国Goodyear轮胎与橡胶公司的Calderon结合自己在环烯烃聚合方面的研究结果，提出环烯烃开环聚合反应和直链烯烃的歧化反应本质上是同一类型反应，并将其命名为烯烃复分解反应（Olefin metathesis），但却没有从催化作用机理上给予解释。尽管此时烯烃复分解催化反应的研究与应用已经取得了一定成功，但是化学家们对该反应的本质仍然缺乏正确的认识，限制了其进一步发展。因此，化学家们希望通过从分子水平上认识烯烃复分解催化反应的催化作用机理，研制更高性能的新型催化剂。

图4 早先提出的烯烃复分解反应机理（a）环丁烷机理；（b）金属五元杂环机理；（c）四亚甲基配合物机理
Fig. 4 Several mechanistic hypotheses proposed during the early period of olefin metathesis exploration: (a) cyclobutane mechanism; (b) metallacyclopentane mechanism; (c) tetramethylene complex mechanism

    对于烯烃复分解催化反应中的催化作用机理早期的研究导致提出了多种假设（图4），其中主要有Calderon等的环丁烷机理、Grubbs的金属五元杂环机理和Pettit的四亚甲基配合物机理。但是人们发现这些机理只能解释个别的实验结果，并且缺乏足够的实验证据。1971年，法国石油研究所的Chauvin受到一些最新文献工作的启发，创新性地提出了金属卡宾催化的金属四元杂环机理假设（图5）：金属卡宾催化剂与烯烃分子1的碳碳双键通过[2+2]环加成反应生成金属四元杂环中间体5，然后中间体5在烯烃分子1的碳碳键和金属卡宾的金属碳键位置发生断键，开环生成乙烯分子4和一个新的金属卡宾6；金属卡宾6再与烯烃分子2作用生成金属四元杂环中间体7，中间体7在烯烃分子2碳碳键位置和金属卡宾6的金属碳键位置发生断键，开环分解生成烯烃分子3和最初的金属卡宾催化剂。反应按照这个催化循环不断进行下去，金属卡宾在这个催化循环的每一步中都扮演着重要角色。反应的本质就是烯烃分子的碳碳双键在金属卡宾作用下发生断裂-重组的过程。瑞典皇家科学院在颁奖宣言中将金属卡宾与烯烃分子先加成再分解这样一个反复进行的催化循环过程形象地比喻为“一场交换舞伴的舞蹈”。虽然Chauvin的机理假设很好地解释了此前烯烃复分解催化反应研究中碰到的问题，但是直到1975年以后才逐渐被Grubbs、Katz、Schrock等人的实验工作所证实，并为化学家们广泛接受，被称为“Chauvin机理”。Chauvin机理第一次明确了烯烃复分解催化反应中催化剂金属卡宾作用的本质，阐明了金属卡宾在烯烃复分解催化反应中的催化作用原理，为进一步设计和制备新型的烯烃复分解反应催化剂指明了方向，在烯烃复分解催化反应的发展中具有里程碑的意义。

图5 金属卡宾催化的烯烃复分解反应机理（Chauvin机理）
Fig. 5 Mechanism for olefin metathesis catalyzed by a metal carbene (Chauvin mechanism)

    然而，使用传统的催化剂（如WCl₆/Bu₄Sn、WOCl₄/EtAlCl₂、MoO₃/SiO₂、Re₂O₇/Al₂O₃等）将烯烃复分解催化反应推广到有机合成时存在着很多问题，如需要强Lewis酸性条件、对水和氧气敏感、反应受底物官能团的影响大以及催化剂寿命相对较低等，这就要求化学家们设计和制备高活性、高选择性、高稳定性并且应用方便的新型烯烃复分解反应催化剂。Chauvin提出的机理指明了新催化剂研发的方向，导致在20世纪70年代末以后许多研究者逐渐将目光转向了金属卡宾催化剂的研究，其中Schrock和Grubbs在寻找、设计和制备能够实际应用的金属卡宾烯烃复分解反应催化剂方面的取得了突出成就。

图6 （a）Schrock催化剂通式（M表示Mo或W）；（b）商品化的Schrock催化剂
Fig. 6 (a) General formula of the family of Schrock's metathesis catalysts (M =Mo or W); (b) Commercially available Schrock catalyst

    Schrock研究组从上世纪80年代初一直致力于寻找结构稳定的金属卡宾用于烯烃复分解催化反应，并得到了一系列可以实际应用的Mo和W的卡宾催化剂（图6a）。1990年他们报道了最具代表性的Mo卡宾催化剂（图6b），该类催化剂用于催化烯烃复分解反应，反应条件同传统的催化体系相比更温和，而且反应更容易引发，反应活性也更高。目前此类催化剂被称为“Schrock催化剂”，并且已经商品化。但是Schrock催化剂对氧气和水敏感，对含有羰基和羟基的底物也不适用，这些缺点限制了它们更为广泛的应用。

图7 （a）Grubbs催化剂（1992）；（b）第一代商品化的Grubbs催化剂（1995）；（c）第二代商品化的Grubbs催化剂（1999）
Fig. 7 (a)Grubbs catalyst (1992); (b) commercially available 1^st generation Grubbs catalyst (1995 ); (c) commercially available 2^nd generation Grubbs catalyst (1999)

    1992年Grubbs研究组报道了应用更方便（可以在质子溶剂中使用）的Ru卡宾催化剂（图7a），并将其用于催化降冰片烯的开环复分解聚合反应。该催化剂克服了其他催化剂对功能基团容许范围小的缺点，不但对空气稳定，甚至在水、醇或酸的存在下，仍然可以很好地保持其催化活性。1995年，他们以三环己基膦取代三苯基膦作为Ru配体合成出活性和选择性更好的新一代Ru卡宾催化剂（图7b），该催化剂被称为“第一代Grubbs催化剂”。
    随后，Grubbs研究组系统研究了催化剂结构－性能之间的关系，发现催化剂的活性与其三环己基膦配体解离生成高活性的单膦Ru中间体的解离有关。根据这一设计理念，他们以比膦配体具有更强给电子能力和更高稳定性的含氮杂环配体代替其中一个膦配体，于1999年得到了热稳定性和活性更高的“第二代Grubbs催化剂（图7c）”。同Schrock催化剂相比，Grubbs催化剂虽然在反应活性上有所下降，但是可以在常温常压、空气和水汽条件下使用，并且较前者具有更高的选择性，解决了金属卡宾催化剂的实际应用问题，成为第一种被普遍使用的烯烃复分解反应催化剂并且也已经商品化。

    Schrock和Grubbs催化剂（金属卡宾催化剂）的成功极大推动了烯烃复分解催化反应研究与应用的发展，并使复分解催化反应发展成为一类标准的有机合成方法，广泛应用于精细化学品、新型药物、天然产物、生物活性化合物（如昆虫信息素、杀虫剂等）等产品的合成过程中（图8-11）；并且，复分解催化反应也由烯烃扩展到了炔烃（图12）。在有机化学领域，复分解催化反应己经被公认为一类重要的形成碳碳键的新方法，可以和Grignard反应、Diels-Alder反应、Wittig反应等传统方法相媲美。复分解催化反应在有机合成化学、高分子化学等领域中应用的详细介绍见文献[6-11]。

图12 烯炔复分解反应及其可能机理（第一代Grubbs催化剂）^[5]
Fig. 12 A proposed mechanism for enyne metathesis (EYM) catalyzed by 1^st generation Grubbs catalyst ^[5]

2 获奖化学家简介
2.1 Yves Chauvin（伊夫·肖万，http://www.academie-sciences.fr/membres/C/Chauvin_Yves.htm）
    Yves Chauvin，生于1930年，现任法国石油研究所名誉所长（已退休）。他毕业于里昂高等化学学校，其后一直在法国石油研究所分子催化实验室从事均相催化方面的研究工作。曾获法国科学院颁发的Clavel-Lespiau奖（1990），法国石油技术人员协会奖，德国煤炭与石油研究协会的Karl Engler奖章（1994）等荣誉。Chauvin的代表性著作见文献[12-13]。
2.2 Robert H. Grubbs（罗伯特·格拉布，http://www.cce.caltech.edu:16080/faculty/grubbs/）
    Robert H. Grubbs，1942年生于美国肯塔基州，1963年和1965年分别获佛罗里达大学化学学士和硕士学位，1968年获哥伦比亚大学化学博士学位。他于1968年至1969年在斯坦福大学从事博士后工作，1969年至1978年在密歇根州立大学担任助理教授、副教授，1978年起在加州理工学院担任化学系教授至今，现在是美国国家科学院院士（1989年）和美国艺术与科学院院士（1994年）。曾获ACS金属有机化学国家奖（1988年）、ACS高分子化学奖（1995年）、Benjamin Franklin化学奖章（2000年）、ACS Arthur C. Cope奖（2002年）、ACS均/多相催化创新研究奖（2003年）、瑞士苏黎世大学Paul Karrer奖（2005年）、德国化学会的August-Wilhelm-von-Hofmann奖（2005年）等多项学术奖励。Grubbs教授的代表性著作见文献[6, 14-19]。
    目前Grubbs教授的主要研究方向有：（1）金属有机合成化学及其机理：主要涉及烯烃复分解催化反应Ru催化剂的设计和合成，新的配体化合物的合成，以及新的过渡金属络合物的合成等；（2）有机合成化学：主要研究Ru卡宾催化的关环复分解催化反应和交叉复分解催化反应在高活性和选择性（包括立体选择性）地合成新型功能型有机分子方面的应用；（3）高分子化学：通过调变Ru卡宾催化剂的结构，利用开环复分解聚合反应可控合成具有特定结构和功能的高分子聚合物材料，同时对这些合成高分子材料的性能和应用进行探索。
2.3 Richard R. Schrock（理查德·施罗克，http://web.mit.edu/chemistry/www/faculty/schrock.html）
    Richard R. Schrock，1945年生于美国印第安纳州，1967年毕业于加利福尼亚大学河滨分校，1971年获哈佛大学博士学位。此后，他相继在英国剑桥大学和杜邦公司从事研究工作，然后于1975年起在麻省理工学院任教，1980年成为麻省理工学院化学系教授至今。Schrock教授现在是美国国家科学院院士和美国艺术与科学院院士，迄今已发表400多篇学术论文。曾获ACS金属有机化学奖（1985年）、ACS Rochester地区Harrison Howe奖（1990年）、Alexander von Humboldt奖（1995年）、ACS无机化学奖（1996年）、ACS Cope Scholar奖（2001年）、Sir Geoffrey Wilkinson奖章（2002年）、德国化学会的August-Wilhelm-von-Hofmann奖（2005年）等多项学术奖励。Schrock的代表性著作见文献[11,20-24]。
    目前Schrock教授的主要研究方向有：（1）高氧化态前过渡金属配合物的无机及金属有机化学研究，尤其侧重于金属卡宾配合物方面；（2）不对称复分解催化反应：工作目标主要是研究Mo金属卡宾催化剂的设计和合成，探索其在烯烃的不对称开环或闭环复分解反应方面的应用；（3）高氧化态金属的分子氮配合物：研究内容主要是寻找能够结合或还原分子氮的Mo、W、Re金属配合物以及相关配体的设计与合成；（4）可控烯烃聚合反应：研究内容主要涉及开发新的Ziegler-Natta催化剂用于端烯烃的可控聚合反应，包括催化剂的设计与合成、反应动力学及机理的研究、新聚合物（尤其是嵌段共聚物）的合成与性能评价等。

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