Nature Reviews Chemistry：N-杂环卡宾的化学及应用研究进展

【研究背景】

N-杂环卡宾（NHC）被归类为有机实体，其特征是在氮杂环系统内的价壳中只有6个电子的二价碳原子（因此称为卡宾）。与大多数碳系相比，NHC是一种稳定的化合物，通常可以分离和储存。大多数碳系本质上不稳定，在没有任何其他稳定特征的情况下，仅作为有机过程中的瞬态中间体存在（例如环丙烷化和C-H插入）。尽管N-杂环卡宾在三十年前就已经被分离出来并进行了表征，但它作为多功能、模块化和强配位的部分仍然引起了科学家们的兴趣。在过去十年中，由于对其行为的基本认识日益完善，新卡宾框架的出现和令人信服的可持续性问题，N-杂环卡宾在几个不同领域的利用率大幅增加。

【成果简介】

近日，德国明斯特大学Frank Glorius教授和柏林自由大学Matthew N. Hopkinson教授联合综述了N-杂环卡宾的历史、性质及其在过渡金属催化、表面化学、主族化学和有机催化中的应用。重点放在过去七年出现的发展和展望未来的方向上。该论文近日以题为“Recent advances in the chemistry and applications of N-heterocyclic carbenes”发表在知名期刊Nature Reviews Chemistry上。

【图文导读】

图一、N-杂环卡宾的合成和应用时间表

图二、近期N-杂环卡宾的主要进展，结构特征

（a）过去七年中涉及N-杂环卡宾（NHC）的主要进展概述。

（b）NHC的主要结构特征。

（c）对一些公认的和新兴的NHC类别的讨论。

图三、N-杂环卡宾在过渡金属催化和表面改性中的应用

（a）选定的过渡金属同质系统，从成熟的系统到最近开发的新型催化剂体系。

（b）N-杂环碳化物（NHC）-过渡金属复合物促成的新的合成转化。

（c）环状（烷基）（氨基）卡宾配体在有机发光二极管（OLED）中的应用。

图四、N-杂环碳化物的表面应用

（a）基于N-杂环卡宾（NHC）的表面改性的最新进展的主要特征。

（b）NHC在金属表面（扫描隧道显微镜图像）、纳米棒（透射电子显微镜图像）和纳米团簇（X射线衍射结构）稳定的实例。

图五、N-杂环碳化物引起的主族化学的进展

（a）开壳和闭壳物种稳定化的部分例子。

（b）模仿过渡金属元素步骤的N-杂环碳化物（NHCs）对惰性键的激活。

（c）选定的主族加合物作为配体。

图六、N-杂环碳化物的有机催化应用及展望

（a）N-杂环碳化物（NHC）—有机催化策略总结。

（b）双NHC-过渡金属催化的选定示例。

（c）将NHC的能力从双电子扩展到单电子过程。

【结论展望】

正如在2014年的回顾中所预期的那样，NHC继续在学术界和工业界的许多领域找到新的和令人兴奋的作用。在过去七年中，它们在表面化学中的应用，以及在有机催化和稳定主要基团物种方面的新方向，都得到蓬勃发展。所有这些发展都源于这类小分子的关键特征，即：（1）强给电子能力；（2）电子和空间特性的可调性；（3）直接的合成可及性；（4）对金属中心和非金属物种的高亲和性。正如最近在开发CAACs和DACs方面取得的令人印象深刻的进展所证明的那样，我们设想将来会发现新的NHC支架，其特性更加独特。这些进展有望缓解多相催化领域应用相对匮乏的问题。在有机催化领域，最近设计了向双催化方法的过渡，主要基于贵金属。鉴于NHC稳定其他难以捉摸的主族物种的显著能力，我们相信，类似的稳定未开发的碳基中间体的方法将为有机催化和其他领域开辟新的途径。随着对其基本性质的进一步了解和对新的和已确立的实际应用的进一步研究，NHC将继续推动科学发展。

文献链接：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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