on style="white-space: normal; text-indent: 2em;">烯烃转换（异构化）是一种在有机合成中有着广泛应用的合成工具。苯丙烷是一个特别受欢迎的目标，因为它们在香水工业、医药等方面有众多应用。此外，还有几个串联转换涉及到C=C双键的转换，这使得官能团化合物能够快速多样化。区域选择性和立体选择性烯烃换位反应是原子经济的，但只有当对所需的异构体有高选择性时。烯烃的这种催化转化通常在热力学控制下，由于各种内部烯烃异构体具有相似的能量，异构化得到了产物的混合物。动力学选择性是最近才实现的，尽管它通常适用于E式产物。Z选择性异构化生成Z式烯烃的途径更加困难，这些烯烃通常存在于天然产物中。并且Z烯烃的合成更具挑战性，因为它们通常比E烯烃更不稳定。例如，E-2-己烯比Z-2-己烯稳定0.4 kcal/mol。因此，已知的Z选择性异构化催化剂对未官能团化烯烃的选择性达不到90%。Holland和Weix报道了一种庞大的β-二酮支持钴(II)烷基络合物，通过链在烷基机制中行走将线性末端烯烃转化为z-2-异构体 (Z/E = 88:12 1-辛烯)。Dobereiner报道了一种用于Z选择性异构化的空气稳定Mo预催化剂，它是由对甲苯磺酸激活的。报道了原位生成的钴(II)和镍(II)膦混合物作为Z选择性异构化的催化剂(Co gives Z/ E = 85:15 for 1-hexadecene, Ni gives Z/E = 72:28 for 1-decene)。Chen最近报道了一种钴(II)盐络合物，能够将烯丙基醚异构化为具有高Z选择性的Z-烯醇醚 (Z/E = 99:1)。但是，这些催化剂中没有一种对烯丙苯具有较高的选择性，从而产生生物相关的苯丙烷产物。烯烃异构化最常提出三种机理(Scheme 1)：烷基机理特征，将烯烃插入金属氢化物中形成烷基配合物，然后进行β氢化物消除，得到异构化烯烃产物 (Scheme 1a)。相反，π-烯丙基机制涉及烯丙基C-H键的氧化加成，形成烯丙基氢化物中间体，然后还原消除产物(Scheme 1b)。氢原子转移(HAT)机理涉及金属氢化物将H·转移到烯烃上，生成自由基和还原金属物种 (Scheme 1c)。所有机理上定义良好的Z选择异构体化催化剂都被提出使用烷基机理。
在这篇文章中，耶鲁大学化学系的Holland课题组，第一作者Daniel Kim描述了一种催化剂，它对从末端脂肪族烯烃和烯丙基苯中产生Z-2-烯烃具有很高的选择性。标记研究表明，催化剂采用π-烯丙基机理，计算表明，催化剂在向立体分解过渡状态的过程中改变了其自旋状态。并且这项工作强调了廉价的第一排金属催化剂通过其独特的穿越多个自旋态的能力来实现立体选择性的潜力。用改进的文献方法在一锅法中合成了催化剂1(Table 1) 。在50℃下，用1-癸烯(0.79M)在氩气下改变溶剂，用1mol%催化剂负载量(7.9mM)进行了初始异构化反应 (Table 1, entries 1−3)。在所有情况下，Z-2-癸烯和E-2-癸烯都是完全形成的（<1%的其他内部异构体）。在甲苯中获得了最高的Z选择性(92:8)。为了使反应过程中可能产生的潜在非选择性催化剂物种失活，我们添加了一种膦，在戊烷催化溶液中加入PPh3(7.9mM)，Z选择性从83：17（entry 3)提高到92：8(entry 4)。加入一滴Hg既不影响选择性，也不影响转化率，表明活性催化剂可能是一种均匀的物种 (entry 7)。
进一步的优化表明，具有较高的选择性和高的转化率可通过添加催化量的PPh3和使用较低的0.5%催化剂负载量实现。 ([1]= 3.9 mM, [alkene] = 0.79 M, [PPh3] = 3.9 mM, 50 ℃, and 10 h)。在这些优化的反应条件下，考察了1的底物范围(Table 2)，未激活的脂肪族烯烃（entries 1−3）进行了区域选择性异构化得到了2-烯烃（<1%的其他内部异构体）。碳链长度的变化对选择性或转化率没有显著影响。与先前报道的催化剂相比，1对脂肪族烯烃的异构化反应的Z选择性最高，可达94：6。还可以选择性地异构化各种苯丙烯类化合物（entries 4−8），具有较高的Z选择性。综合所知，这是第一次成功的Z选择性异构化这类重要的烯烃。醇和酮不耐受1，但1对烯醇硅醚（保护醇)和缩醛(保护酮）的催化作用，z选择性略低，区域选择性高 (entries 9 and 11)。此外，1与硅基相容，尽管z选择性和区域选择性降低(entriy 10)。
为了探讨1的机理，作者进行了一个交叉实验，涉及1-癸烯-d2和三异丙基（戊-4-烯氧基)硅烷(2)混合物的异构化 (Scheme 2a)。如果催化反应遵循烷基机理或HAT机理(Scheme 1a, 1c)。氘掺入3或4将是预期的。然而，如果反应遵循π-烯丙基机制(Scheme 1b)，所有氘的转移都应该是分子内的。在对照实验中，1-癸烯-d2的异构化给出了1，3-氘的位移，没有氘掺入到其他位置 (Scheme 2b)。虽然在相同时间（26%比87%）后，转化率略低于1-癸烯异构化，但表明动力学同位素效应正常(Scheme 2b)。然后，在等量的1-癸烯-d2和2(Scheme 2a)的异构化过程中，用1H NMR谱对产物混合物进行了分析，结果表明，在3和4中没有对应于氘的峰。用2H NMR谱和GC-MS对3和4进行了进一步的分析，用柱层析法将它们从5和6中分离出来，也没有氘的掺入。这一结果与烷基机制和HAT机制不一致，强烈表明1通过π-烯丙基机制异构化烯烃(Scheme 3)。据所知，这是第一个机理上定义良好的钴异构化催化剂，通过π-烯丙基机制进行。
为了了解不太受欢迎的异构体的特殊选择性的起源，我们对烯丙基苯活化机理中的关键步骤进行了DFT计算为了了解不太受欢迎的异构体的特殊选择性的起源，我们对烯丙基苯活化机理中的关键步骤进行了DFT计算 (Figure 1)。该TPSS功能再现了观察到1的三重态基态。计算还表明，相对于π-芳基配合物(Table S17)，C-H活化过渡态对苄基碳的负电荷量减少，这与上述取代基效应一致。与观察到的选择性一致，最低能量氧化加成转变态(1TSz，Figure 1)破坏了产生z-烯丙基络合物的苄基C-H键。有趣的是，这种过渡态在单线态表面，表明反应过程中存在自旋态变化。自旋状态加速（或“自旋催化”）通过一个较低的自旋转变状态是被证明在许多反应中，包括氧化加成。Smith课题组最近报道了机理定义良好的过渡金属催化剂系统中立体选择性的变化联系起来的例子。虽然还没有一种实验确定过渡态自旋的方法，但这些计算结果表明，自旋态操作可以为碱金属催化中的新选择性提供一条有用的途径。
综上所述，作者报道了一种β-双键支撑的高自旋钴(I)配合物，它可以将末端烯烃，包括以前顽固的烯丙基苯，转化为具有前所未有的高区域选择性和立体选择性的Z-2-烯烃。氘标记研究表明，催化剂是通过π-烯丙基机制运行的，这不同于其他Z选择性催化剂的烷基机制。计算表明，三重态钴(I)烯烃配合物在最低能量C-H活化转变状态下经历了从静止状态三重态到单重态的自旋态变化，从而得到了Z式产物。这表明，自旋态的变化可能为低一排过渡金属的新立体控制方法提供了一条途径。
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.1c00856
