近日，德国比勒费尔德大学Rajendra S. Ghadwal课题组在Angew. Chem. Int. Ed.发表论文，报道了在镍催化下，实现七种介离子卡宾（mesoionic carbenes，iMICAr）2a-2g的分子内1,2-Dipp（Dipp=2,6-二异丙基苯基）迁移，生成1,3-咪唑（IMDAr）3a-3g。值得注意的是，3的形成表明，反应涉及N‒CDipp键断裂以及C‒CDipp键的形成，这在NHC化学中是前所未有的。同时，化合物3与硒（6），金（7）和钯（8）化合物反应可合成S-iMICs（5）。此外，立体电子性质表明，与经典NHC相比， 5具有出色σ-供体强度。并且，在迄今为止报道的iMICs中，5的％Vbur值（配位到过渡金属的配体的体积测量值）最大，为45。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202014328）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
N-杂环卡宾（NHC）（I, Figure 1）具有独特的立体电子性质，因而成为了有机合成、催化以及材料科学中最通用的碳供体中性配体。介离子卡宾（iMIC）（II）作为NHC家族的一个成员，其卡宾碳原子位于C4（或C5）位。iMIC（II）比传统NHC（I）具有更强的σ-供体，因此在合成和催化方面具有巨大的潜力。然而，与NHC相比，iMICs的合成方法仍然极为匮乏。2001年，Crabtree等报道了第一个iMIC-配合物（III）。早在1991年，Arduengo等分离出了第一个晶体NHC，但直到2009年Bertrand等才合成第一个iMIC（IV）。与IV相似，在C2位上进行芳基取代是获得iMIC化合物的可靠策略。前期，Rajendra S. Ghadwal课题组报道了两种用于NHCs的直接C2-芳基化的催化方案，获得了C2-芳基化的1,3-咪唑鎓盐，并揭示了它们在制备C5-质子化的游离iMIC（V）、金属配合物和稳定自由基中的适用性。除了σ-供体特性外，配体的空间分布也起着关键作用。在此，作者报道了镍催化下C5-质子化的iMIC（V）的1,2-Dipp迁移，从而得到1,2,4-三芳基-1,3-咪唑（IMDAr），并揭示了它们在合成体积庞大的S-iMICs（VI）中的实用性（Figure 1）。除了对立体电子性质进行定量分析外，作者还探讨了VI的催化活性并将其与V和IPr的催化活性进行比较。
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通过C2-芳基化的1,3-咪唑鎓盐(1a-1g)Br的去质子化反应，可获得所需的iMIC 2a-2g（Scheme 1a）。当2a在Ni(cod)2作用下于甲苯溶液中反应时，以35％的收率形成意外的产物3a。这表明2a中的Dipp取代基迁移到了卡宾碳原子上。这种反应性在NHC化学中是前所未有的，目前尚不清楚形成3a的确切机理。iMICPh（2a）中更强的σ-供体性质可使配合物A的Ni(0)中心更富电子。Ni(0)氧化加成到相邻的C‒N键中形成Ni(II)配合物C，其再经还原消除生成3a（Scheme 1b）。值得注意的是，包含π-酸性的CO配体(iMICAr)Ni(CO)3配合物是稳定的固体。2a到3a的催化过程，也适用于其他iMIC（2b-2g）。当用5 mol％的Ni(cod)2催化iMIC（2a-2g），反应可获得收率为54-97％的化合物3a-3g（Scheme 1c）。
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紧接着，作者对2a到3a的转化进行了研究（Table 1）。在THF中，反应未发生，而形成了难处理的混合产物（entries 1-2）。除nBuLi外，KN(SiMe3)2也可用作碱（entry 4）。若向反应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，可以良好的收率获得1,3-咪唑鎓盐(4a-4g)X（X=PF6，I，OTf或BF4）（Scheme 2）。同时，(4a)PF6和(4b)PF6分别用Se粉和KN(SiMe3)2处理，可以合成6a和6b。5b和(Me2S)AuCl反应后，可分离出白色固体7。同样，5b和[(allyl)PdCl]2和[(cin)PdCl]2反应，则获得8-H和8-Ph。
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托尔曼电子参数（TEP）是评估配体电子性质的最常用方法之一，但是与其他IR方法一样，它不是很精确，并且存在一些局限性。相反，NMR方法通常会产生一致的结果，可广泛应用。(NHC)PPh和(NHC)Se的31P{1H}和77Se{1H} NMR信号的值同等重要，但(NHC)Se的合成相对简单。与IPr相比，77Se{1H} NMR数据表明2a/2b和5a/5b的π-接受性能较弱（Table 2）。有趣的是，5a/5b相对于2a/2b具有更强的π-酸性。这可能归因于5a/5b中的卡宾碳原子旁边存在一个额外的吸电子芳基（Dipp）。在2b和5b中对位含有NMe2基团时，可增强卡宾中心的电子密度。因此，2b/5b分别比2a/5a具有更弱的π-受体和更强的σ-供体。耦合常数的值越小，σ-供体强度越大。因此，可以推断出几个卡宾化合物的π-受体（IPr>5a>5b>2a>2b）和σ-供体（5b>5a>2b>2a> IPr）性质的大小趋势。此外，通过%Vbur对比发现，5b（45.0％）的％Vbur明显大于2a/2b（~33％），并与IPr（44.5％）相当。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
在对立体电子性质分析之后，作者开始拓展钯催化的标准C‒C和C‒N交叉偶联反应中5a/5b的范围，并将结果与经典NHC（IPr）和 iMIC（2a/2b）进行比较。与Suzuki-Miyaura C‒C偶联反应相比，使用5a/5b的产率明显高于使用2a/2b和IPr的产率。令人惊讶的是，与IPr和2a/2b相比，5a/5b的自偶联副产物的量也较小。同样，芳基氯和吗啉与IPr（entry 2）或2a（entry 3）的偶联反应相当缓慢（Scheme 3）。与之形成鲜明对比的是，在相似的实验条件下（entries 4-5），使用5b可使转化率达到78-99％，这显然显示出5b优于iMIC（2a）和IPr的活性。
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总结：Rajendra S. Ghadwal课题组在报道了在镍催化下，一系列C5-质子化的iMIC（2a-2g）经1,2-芳基迁移生成1,3-咪唑（3a-3g），并可直接进行N-甲基化，从而获得相应的咪唑鎓盐(4)X，作为S-iMIC（5）的前体。同时，立体电子性质研究表明，S-iMICs（5）具有出色的σ-供体强度和空间分布（％Vbur=45％），这有助于控制衍生金属催化剂的收率。此外，通过与标准C‒C和C‒N交叉偶联反应进行对比，可进一步证明5的催化效率之高。
