背景：烯烃复分解反应( Olefin metathesis) 是由金属烯烃配合物( 又称金属卡宾) 催化的不饱和碳碳双键或者叁键之间的碳架重排反应。1992年,Grubbs等人发现了金属钌的卡宾化合物可有效地催化烯烃复分解反应,并合成了一种用于此催化反应的钌卡宾配位化合物,即第一代Grubbs催化剂。此催化剂具有很高的活性与选择性,并且能在乙醇、水及碳酸溶液中稳定存在,是目前最重要的烯烃复分解催化剂,并成为检验烯烃复分解反应催化剂性能的标准。
此后,Grubbs通过对分子结构与催化性能关系的系统研究,发现催化剂的活性与其中一个膦配体的解离活性有关,认为催化循环过程中经过一个高活性的单膦中间体,然后与烯烃发生加成。根据这一催化机理,Grubbs提出了比膦配体具有更强给电子能力和更高稳定性的N - 杂环卡宾配体代替其中一个膦配体,合成了第二代Grubbs催化剂。
合成：
1. 方法一
1999年，Grubbs等人使用Grubbs第一代催化剂RuCl2(=CHPh)(PCy3)2和SIMes·HCl作为起始原料，成功合成了第二代Grubbs催化剂(PCy3)(SIMes)Cl2Ru=CHPh。该催化剂具有优异的水和空气稳定性，同时其催化活性和热稳定性也得到了显著提高。最初，他们尝试使用金属氢化物对氮杂环卡宾进行去质子化，以期直接获得游离卡宾。然而，与不饱和的氮杂环卡宾不同，该方法对于饱和的氮杂环卡宾SIMes并不适用。最终，他们采用氮杂环卡宾的四氟硼酸盐，在甲醇中与甲醇钠反应或在四氢呋喃中与叔丁醇钾反应的方法，生成了烷氧基保护的氮杂环卡宾加合物。随后，这些加合物与RuCl2(=CHPh)(PCy3)2反应，最终得到了目标产物，产率高达75% (如下图)。2000年，Hoveyda在使用该方法时对其后处理过程进行了改进，采用柱层析的方法对产物进行了纯化。
2. 方法二
在2002年，Nolan等人采用了一种新的碱叔戊醇钾来替代叔丁醇钾，这种碱在正己烷中溶解性更好，能更快地将咪唑盐上的质子去除，从而形成游离的卡宾。该方法中使用正己烷作为溶剂，由于目标产物(PCy3)(SIMes)Cl2Ru=CHPh在正己烷中不溶解，因此后处理过程相对较为简单，只需进行过滤即可高产率地得到产物。当使用盐酸咪唑盐作为起始原料时，产率可达到77%；而采用四氟硼酸盐作为原料时，产率相对较低，为67%(如下图)。
3. 方法三
2003年Grubbs等人发现，使用四氟硼酸咪唑盐与叔丁醇钾反应制备 (PCy3) (SIMes) Cl2Ru=CHPh时，粗产物中含未反应的H2IMes (H) (BF4) 及副产物KBF4和PCy3，这些都会降低催化剂活性。通过改变后处理过程，使用硅藻土过滤再使用甲醇和正戊烷多次洗涤，可得纯的产物. 但随后发现使用甲醇作洗涤剂会生成少量金属氢化物。为避免这些副产物的生成，他们改进了合成方法，将t-BuOK、(PCy3) 2 (Cl)2Ru=CHPh及SIMes·HCl在正己烷中回流24 h，当 (PCy3)2(Cl) 2Ru=CHPh全部转化为(PCy3)(SIMes) Cl2Ru=CHPh后，向混合物中加入2-丙醇/水萃取没有反应的咪唑啉盐及磷的氧化物，由于产物 (PCy3) (SIMes) Cl2Ru=CHPh在该溶剂系统中不溶，通过简单的过滤就可以得到分析纯的产物，产率可达到75%，而且不需要将叔丁醇钾换为叔戊醇钾。此外该课题组还合成了氮杂环卡宾的氯仿加合物，再与第一代催化剂反应从而得到最终产物 (如下图)，产率84%。
4. 方法四
2004年，Waymouth等人成功合成了一种五氟苯的氮杂环卡宾加合物。该合成方法步骤简单，可通过二胺与五氟苯甲醛缩合而成，无需添加碱剂，在温和条件下加热即可得到目标卡宾，产物仅生成五氟苯作为副产物。受到这一研究的启发，2007年，Grubbs等人采用N,N'-二-(2，4，6-三甲基苯胺)乙二胺与五氟苯甲醛反应，成功合成了SIMes的五氟苯加合物。与氯仿加合物相比，该化合物表现出更高的稳定性。在甲苯溶液中，SIMes的五氟苯加合物与Grubbs第一代催化剂发生反应，反应混合物经过快速柱层析纯化，产率高达91% (如下图)。
5. 方法五
方法一到方法四均需要加热以促使氮杂环卡宾加合物分解，生成化学计量的氯仿或醇。这种分解过程意味着无法将这些方法与钌化合物原位反应以用于催化反应。随着氮杂环卡宾二氧化碳加合物在金属有机化合物合成中的应用不断发展，2009年，Delaude等人成功地利用SIMes的二氧化碳加合物合成了Grubbs第二代催化剂。这一合成过程的产率高达90%(如下图)。NHC·CO2加合物的合成方法简单，只需向游离卡宾中通入CO2气体，随后除去易挥发溶剂即可。由于该加合物是一种稳定的两性离子，因此在储存时无需进行特殊处理。
参考：
[1]李郭成,高康莉,邓兆静,等. 第二代Grubbs催化剂配体的合成及优化 [J]. 化工时刊, 2015, 29 (03): 18-21.
[2]胡金金,黄汉民,左秀锦. Grubbs催化剂合成研究进展 [J]. 分子催化, 2012, 26 (06): 566-575. DOI:10.16084/j.cnki.issn1001-3555.2012.06.009.
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