近日，德國比勒費爾德大學Rajendra S. Ghadwal課題組在Angew. Chem. Int. Ed.發(fā)表論文，報道了在鎳催化下，實現(xiàn)七種介離子卡賓（mesoionic carbenes，iMICAr）2a-2g的分子內1,2-Dipp（Dipp=2,6-二異丙基苯基）遷移，生成1,3-咪唑（IMDAr）3a-3g。值得注意的是，3的形成表明，反應涉及N?CDipp鍵斷裂以及C?CDipp鍵的形成，這在NHC化學中是前所未有的。同時，化合物3與硒（6），金（7）和鈀（8）化合物反應可合成S-iMICs（5）。此外，立體電子性質表明，與經典NHC相比， 5具有出色σ-供體強度。并且，在迄今為止報道的iMICs中，5的％Vbur值（配位到過渡金屬的配體的體積測量值）最大，為45。相關研究成果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202014328）。
（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
N-雜環(huán)卡賓（NHC）（I, Figure 1）具有獨特的立體電子性質，因而成為了有機合成、催化以及材料科學中最通用的碳供體中性配體。介離子卡賓（iMIC）（II）作為NHC家族的一個成員，其卡賓碳原子位于C4（或C5）位。iMIC（II）比傳統(tǒng)NHC（I）具有更強的σ-供體，因此在合成和催化方面具有巨大的潛力。然而，與NHC相比，iMICs的合成方法仍然極為匱乏。2001年，Crabtree等報道了第一個iMIC-配合物（III）。早在1991年，Arduengo等分離出了第一個晶體NHC，但直到2009年Bertrand等才合成第一個iMIC（IV）。與IV相似，在C2位上進行芳基取代是獲得iMIC化合物的可靠策略。前期，Rajendra S. Ghadwal課題組報道了兩種用于NHCs的直接C2-芳基化的催化方案，獲得了C2-芳基化的1,3-咪唑鎓鹽，并揭示了它們在制備C5-質子化的游離iMIC（V）、金屬配合物和穩(wěn)定自由基中的適用性。除了σ-供體特性外，配體的空間分布也起著關鍵作用。在此，作者報道了鎳催化下C5-質子化的iMIC（V）的1,2-Dipp遷移，從而得到1,2,4-三芳基-1,3-咪唑（IMDAr），并揭示了它們在合成體積龐大的S-iMICs（VI）中的實用性（Figure 1）。除了對立體電子性質進行定量分析外，作者還探討了VI的催化活性并將其與V和IPr的催化活性進行比較。
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通過C2-芳基化的1,3-咪唑鎓鹽(1a-1g)Br的去質子化反應，可獲得所需的iMIC 2a-2g（Scheme 1a）。當2a在Ni(cod)2作用下于甲苯溶液中反應時，以35％的收率形成意外的產物3a。這表明2a中的Dipp取代基遷移到了卡賓碳原子上。這種反應性在NHC化學中是前所未有的，目前尚不清楚形成3a的確切機理。iMICPh（2a）中更強的σ-供體性質可使配合物A的Ni(0)中心更富電子。Ni(0)氧化加成到相鄰的C?N鍵中形成Ni(II)配合物C，其再經還原消除生成3a（Scheme 1b）。值得注意的是，包含π-酸性的CO配體(iMICAr)Ni(CO)3配合物是穩(wěn)定的固體。2a到3a的催化過程，也適用于其他iMIC（2b-2g）。當用5 mol％的Ni(cod)2催化iMIC（2a-2g），反應可獲得收率為54-97％的化合物3a-3g（Scheme 1c）。
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緊接著，作者對2a到3a的轉化進行了研究（Table 1）。在THF中，反應未發(fā)生，而形成了難處理的混合產物（entries 1-2）。除nBuLi外，KN(SiMe3)2也可用作堿（entry 4）。若向反應混合物中添加少量的cod（10 mol％），可提高收率（entries 6-7）。
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3a-3g的直接N-甲基化，可以良好的收率獲得1,3-咪唑鎓鹽(4a-4g)X（X=PF6，I，OTf或BF4）（Scheme 2）。同時，(4a)PF6和(4b)PF6分別用Se粉和KN(SiMe3)2處理，可以合成6a和6b。5b和(Me2S)AuCl反應后，可分離出白色固體7。同樣，5b和[(allyl)PdCl]2和[(cin)PdCl]2反應，則獲得8-H和8-Ph。
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托爾曼電子參數(shù)（TEP）是評估配體電子性質的最常用方法之一，但是與其他IR方法一樣，它不是很精確，并且存在一些局限性。相反，NMR方法通常會產生一致的結果，可廣泛應用。(NHC)PPh和(NHC)Se的31P{1H}和77Se{1H} NMR信號的值同等重要，但(NHC)Se的合成相對簡單。與IPr相比，77Se{1H} NMR數(shù)據(jù)表明2a/2b和5a/5b的π-接受性能較弱（Table 2）。有趣的是，5a/5b相對于2a/2b具有更強的π-酸性。這可能歸因于5a/5b中的卡賓碳原子旁邊存在一個額外的吸電子芳基（Dipp）。在2b和5b中對位含有NMe2基團時，可增強卡賓中心的電子密度。因此，2b/5b分別比2a/5a具有更弱的π-受體和更強的σ-供體。耦合常數(shù)的值越小，σ-供體強度越大。因此，可以推斷出幾個卡賓化合物的π-受體（IPr>5a>5b>2a>2b）和σ-供體（5b>5a>2b>2a> IPr）性質的大小趨勢。此外，通過%Vbur對比發(fā)現(xiàn)，5b（45.0％）的％Vbur明顯大于2a/2b（~33％），并與IPr（44.5％）相當。
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在對立體電子性質分析之后，作者開始拓展鈀催化的標準C?C和C?N交叉偶聯(lián)反應中5a/5b的范圍，并將結果與經典NHC（IPr）和 iMIC（2a/2b）進行比較。與Suzuki-Miyaura C?C偶聯(lián)反應相比，使用5a/5b的產率明顯高于使用2a/2b和IPr的產率。令人驚訝的是，與IPr和2a/2b相比，5a/5b的自偶聯(lián)副產物的量也較小。同樣，芳基氯和嗎啉與IPr（entry 2）或2a（entry 3）的偶聯(lián)反應相當緩慢（Scheme 3）。與之形成鮮明對比的是，在相似的實驗條件下（entries 4-5），使用5b可使轉化率達到78-99％，這顯然顯示出5b優(yōu)于iMIC（2a）和IPr的活性。
（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
總結：Rajendra S. Ghadwal課題組在報道了在鎳催化下，一系列C5-質子化的iMIC（2a-2g）經1,2-芳基遷移生成1,3-咪唑（3a-3g），并可直接進行N-甲基化，從而獲得相應的咪唑鎓鹽(4)X，作為S-iMIC（5）的前體。同時，立體電子性質研究表明，S-iMICs（5）具有出色的σ-供體強度和空間分布（％Vbur=45％），這有助于控制衍生金屬催化劑的收率。此外，通過與標準C?C和C?N交叉偶聯(lián)反應進行對比，可進一步證明5的催化效率之高。
