稳定卡宾

)是一种稳定的NHC。]]
稳定卡宾（英语：persistent carbene或stable carbene）是一类表现出特殊稳定性的卡宾。最著名的例子和迄今最大的支类是*N-杂环卡宾（简称为NHC），以具有通式(R2N)2C: **的卡宾为例，其中R可以是烷基或芳基，这些基团可以相互连接得到杂环结构，并且在生物转化过程和催化领域中有独特的反应性和选择性，如由咪唑、咪唑啉、噻唑或三唑衍生而来的稳定卡宾。

传统的卡宾类物质被认为是反应性极强的活性中间体，只能在反应中捕获以进行研究，但随着稳定卡宾的发现出现了转机。尽管如此，稳定卡宾依然是反应性很强的物质，会自发地的变为二聚体，许多稳定卡宾在合适条件下可以作为纯物质分离，并保存一段时间。

稳定卡宾大多是单线态卡宾，其特殊稳定性可能有取代基团空间位阻大的原因。一些单线态卡宾在热力学上是稳定的，可以分离并保存；一些则会缓慢地变为二聚物。与之相对，三线态卡宾的半衰期通常以秒为单位，可以被观测到但无法储存。

历史
早期表征
早在1957年，提出了一种相对稳定的亲核卡宾，即维生素B1（硫胺）的噻唑-2-亚基衍生物，参与到由糠醛合成的维他命B1的催化循环之中。

在此循环中，维生素B1通过噻唑鎓环C2上氢交换参与催化，通过重水示踪发现该C2质子在统计学平衡中快速地被氘取代。

该交换过程被提出以噻唑-2-亚基的中间体进行，在2012年报告了该被称为Breslow中间体的分离
。
到了1960年代，及其同事推测，卡宾衍生物是通过相应的2-三氯甲基-二氢咪唑真空热解脱去氯仿而得到的
，并提出了Wanzlick平衡，即该卡宾通过与其二聚体（一种四氨基乙烯衍生物）的化学平衡而存在。该猜想在1964年和1965年分别受到 和H. E. Winberg的质疑。然而，后来该平衡被证明在特定情况下可以存在。

分离
1970年，Wanzlick及其小组通过咪唑鎓盐的去质子化得到了咪唑-2-亚基卡宾。Wanzlick与罗德·霍夫曼提出由于休克尔规则的芳香性，这些咪唑基的卡宾应该会比他们的4,5-二氢物更加稳定。然而，Wanzlick并未分离出咪唑-2-亚基，只是得到了它的汞及异硫氰酸酯配合物。

这些物质被称为推拉（push-pull）卡宾，因为磷和硅原子的电子亲和力不同，同时可以表现出卡宾和炔烃的反应性。需要说明的是，该分子的X射线结构尚未得到，并且其卡宾性质仍需更多研究。

到了1991年，及其同事通过咪唑鎓离子的去质子化制得了稳定的氮杂卡宾结晶：

这种卡宾能在没有氧气和水的室温下稳定存在，在240–241 °C熔化但不分解，13C NMR光谱显示卡宾碳在211ppm处的信号值，X射线衍射显示卡宾环内的N-C键长度相比于咪唑鎓母体更长，这些键只有微弱的双键特征。

至1997年制得了首个空气中稳定的氮杂卡宾，即1,3-二甲基-4,5-二氯咪唑-2-亚基，和中等稳定性的只有一个杂原子的(氨基)(芳基)卡宾。

影响稳定性的因素
Arduengo卡宾的稳定性最初被归于N-金刚烷基较大的空间位阻阻止了二聚化，然而用甲基取代N-金刚烷基后也能得到稳定的氮杂卡宾、烷氧基、烷基化氨基、烷基膦、甚至是手性取代基。

特别是用氯取代4,5位的氢后，制得了第一个有空气稳定性的卡宾，其独特的稳定性可能与氯取代基的吸电子效应降低了卡宾碳上孤对电子云的密度有关。咪唑环型卡宾是热力学稳定的，其中卡宾碳通常有210至230ppm的13C NMR特征化学位移值，N-C-N键角为101-102°。

三唑-5-亚基型
三唑型卡宾是另一种研究较早的稳定卡宾，三唑环拥有两种异构体，对应为1,2,3-三唑-5-亚基与1,2,4-三唑-5-亚基。

D. Enders及其同事首先通过真空热解法，由2-甲氧基三唑脱去甲醇来制备1,2,4-三唑-5-亚基，该品类稳定卡宾的研究很有限，也只有少数三苯基取代物已经作为商品售卖。

三唑环基稳定卡宾是热力学稳定的，并且卡宾碳通常有210至220ppm的13C NMR特征化学位移值，通常N-C-N键角约为101°。这种卡宾的5-甲氧基三唑前体是通过甲醇钠亲核进攻处理三唑鎓制备，其中也包含非环结构的此类卡宾，或是两个独立的环。

与咪唑型、三唑型的稳定卡宾不同，此种卡宾并不都是热力学稳定的，只要空间结构允许，他们就会倾向于发生二聚化有类似环硼氮烷的结构，构成了一个平面结构。
去质子，并以两个环己基保护卡宾。。

硫杂的类噻唑芳香杂环母体，类似于Breslow猜测的卡宾结构，已经被制备并经X射线衍射完成了晶体结构表征。

环丙烯型
另一类稳定卡宾的母体是环丙烯亚基，例如双(二异丙基氨基)环丙烯亚基。

三线态卡宾
在2001年，与其同事报告了一种因电子离域而相对稳定的三线态卡宾，即双(9-蒽基)卡宾，半衰期为19分钟。

在2006年，同一小组报告了半衰期40分钟的三线态卡宾，此种卡宾是通过在苯中用300nm光化学分解重氮甲烷结构的前体，逸出氮气来制备的。

暴露于空气中会自发转化为对应的二苯酮，二苯甲烷化合物是在被环己-1,4-二烯捕获时形成，与其他稳定卡宾类似，有许多体积较大的取代基，如三氟甲基/溴代苯基，能减缓卡宾二聚化为1,1,2,2-四(苯基)烯烃的过程。根据计算机模拟，该碳原子与相邻原子的键长为138pm，键角为158.8°，苯基所在平面几乎成直角（二面角为85.7°）。

介离子卡宾
与N-杂环卡宾相似，不同之处在于卡宾的典型共振式在无额外电荷的情况下无法构建，介离子卡宾也被称为异常N-杂环卡宾（aNHC）或远程N-杂环卡宾（rNHC）。部分介离子卡宾可以单独分离并在室温下稳定，但许多容易受分子间分解途径的影响。

化学性质
碱性和亲核性
咪唑-2-亚基是强碱，其共轭酸在二甲亚砜中的pKa≈24，酸性约强于相应的咪唑鎓型卡宾103倍。

二聚化
在最初，人们认为稳定卡宾的二聚化是通过Wanzlick平衡可逆的进行，然而，咪唑-2-亚基和三唑-5-亚基能够分离并在无水和空气的情况下保存单体甚至数年之久，可能是由于此类卡宾在二聚化后会失去原本的芳香性所致。
Chen与Taton通过将相应的二咪唑鎓盐去质子化制备了双系二咪唑-2-亚基，并且只在较短的亚甲基桥中才能通过去质子化得到单分子卡宾二聚物：

如果该二聚物以双卡宾的形式存在，卡宾碳上的孤电子对会被迫接近，据推测，此过程产生的相斥静电作用会使分子变得不稳定，并由此发生二聚化。
另一方面，杂氨基型卡宾（如R2N–C–OR或R2N–C–SR）和无芳香性卡宾（如R2N-C-NR2）的二聚化反应研究更加顺利，尽管其二聚化过程仍非常缓慢。通常这被推测是单线态卡宾高能垒的原因，不同于三线态卡宾的二聚化，单线态卡宾无法头对头地靠近，而是从卡宾孤电子对进攻空碳p轨的方向进行，由酸或金属催化：

二氨基卡宾并没有真正地二聚化，而是通过质子化的甲脒盐形成二聚物。因此该反应可以被酸催化，与咪唑鎓型卡宾不同，该卡宾质子化的过程中没有失去芳香性。

反应活性
稳定卡宾的化学反应尚未探索完毕，D. Enders及其同事报道了一系列涉及三唑-5-亚基的反应，这些反应可以作为其他稳定的卡宾的参考：

N-杂环卡宾可以用作有机金属化学中的辅助配体，一种实际的应用是用于交叉偶联反应的钌-卡宾格拉布催化剂和氮杂环卡宾-钯配合物（NHC-Pd）。NHC-金属配合物，特别是Ag(I)-NHC配合物有广泛的生物学应用。

制备方法
N-杂环卡宾通常是强碱性的（咪唑-2-亚基共轭酸的pKa约为24）并迅速与氧气反应。虽然咪唑鎓盐对亲核试剂稳定，但其他非芳香性结构则不然（如甲脒盐）。

去质子化
用强碱对卡宾前体鎓离子进行去质子化是一种可以制备绝大多数稳定卡宾的方法：

咪唑-2-亚基和二氢咪唑-2-亚基（如IMes），已经分别通过咪唑鎓盐和二氢咪唑鎓盐的去质子化制备；无环卡宾，促成该反应进行的一个原因是副产物硫化钾不溶于THF，该方法无法用于制备二聚卡宾。使用熔融钾将硫脲脱硫制备咪唑-2-亚基或二氨基卡宾的方法尚不能广泛应用，该方法可以用于制备二氢咪唑型卡宾。

真空热解
真空热解以去除其中挥发性副产物，如甲醇或氯仿，是制备二氢咪唑型和三唑型卡宾的一种方法。历史上，Wanzlick：
:(CH3)3Si−Hg−Si(CH3)3 + R2N=C(Cl)−Cl− → R2N−C−NR2 + Hg + (CH3)3SiCl

光化学分解
相对稳定的三线态卡宾可以通过在苯中以300nm波长的光分解重氮甲烷前体制备。

纯化
稳定卡宾反应性很强，但如果使用严格干燥、非酸性填料和无空气技术，稳定卡宾有相当的稳定性。例如，可以通过干燥的硅藻土填料过滤由氢化钾制备的稳定卡宾，来分离反应中的副产物。在小尺度上，可以使用膜式注射过滤器分离含稳定卡宾的悬浮液。稳定卡宾通常易溶于非极性溶剂，如己烷，因为没有合适的非酸性极性溶剂而难以通过重结晶方法分离。如图所示，60 °C以下、高真空升华是一种有效的提纯方法，稳定卡宾相对易于挥发，但在高温也会分解。在某些情况下，卡宾与金属离子的络合会阻碍升华。

备注
参见

• 卡宾
• 过渡金属卡宾配合物

参考文献