分析有機(jī)鋅催化劑對(duì)反應(yīng)活性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的平衡
有機(jī)鋅催化劑：在反應(yīng)活性與儲(chǔ)存穩(wěn)定性之間走鋼絲的化學(xué)舞者
說到催化劑，很多人腦海中可能浮現(xiàn)出那些金屬閃閃發(fā)光、價(jià)格昂貴、動(dòng)不動(dòng)就中毒失活的“貴族催化劑”，比如鈀、鉑、銠這些名字一聽就讓人肅然起敬。但今天我們要聊的主角，卻是一個(gè)低調(diào)又實(shí)用的角色——有機(jī)鋅催化劑。
它沒有貴金屬的光環(huán)，也沒有稀土元素的神秘感，但它卻以一種近乎“接地氣”的方式，在許多有機(jī)合成反應(yīng)中大放異彩。尤其是在碳-碳鍵構(gòu)建、親核加成和偶聯(lián)反應(yīng)中，有機(jī)鋅試劑和催化劑常常扮演著關(guān)鍵角色。
不過，話說回來，任何優(yōu)秀的催化劑都必須面對(duì)一個(gè)永恒的難題：反應(yīng)活性 vs 儲(chǔ)存穩(wěn)定性。就像一個(gè)武林高手，既要有雷霆萬鈞的一擊，又要能在刀光劍影之外安然無恙地收劍歸鞘。那么，有機(jī)鋅催化劑到底能不能做到這一點(diǎn)？我們今天就來聊聊這個(gè)話題。
一、有機(jī)鋅催化劑的基本介紹
有機(jī)鋅化合物早被用于有機(jī)合成是在20世紀(jì)初，特別是1930年代由德國化學(xué)家heinrich otto wieland等人推動(dòng)的研究奠定了其基礎(chǔ)。這類化合物通常具有通式r-zn-x（r為有機(jī)基團(tuán)，x為鹵素或類鹵素），例如常見的phzncl、etznbr等。
它們大的特點(diǎn)就是溫和的親核性，這使得它們?cè)诤芏鄬?duì)強(qiáng)堿敏感的反應(yīng)中表現(xiàn)出色，比如：
- reformatsky反應(yīng)：醛/酮與α-鹵代酯在鋅存在下生成β-羥基酯；
- negishi偶聯(lián)反應(yīng)：鋅試劑與鈀催化劑協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)芳基-烷基偶聯(lián)；
- 羰基加成反應(yīng)：如與醛、酮、亞胺等的加成；
- 自由基反應(yīng)中的還原劑或引發(fā)劑。
相比于格氏試劑（grignard試劑）或有機(jī)鋰試劑，有機(jī)鋅試劑的反應(yīng)條件更為溫和，副反應(yīng)更少，安全性和操作性也更強(qiáng)，尤其適合工業(yè)應(yīng)用。
二、反應(yīng)活性：有機(jī)鋅的“爆發(fā)力”
所謂反應(yīng)活性，指的是催化劑在特定條件下促進(jìn)目標(biāo)反應(yīng)的能力。對(duì)于有機(jī)鋅來說，它的反應(yīng)活性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1. 親核性強(qiáng)但可控
有機(jī)鋅試劑的親核性介于格氏試劑和有機(jī)銅之間，屬于“中間派”。這種特性讓它既能有效進(jìn)攻缺電子的碳原子（如羰基碳），又不至于像有機(jī)鋰那樣過于活潑而引發(fā)副反應(yīng)。
| 試劑類型 | 親核性強(qiáng)度 | 反應(yīng)活性 | 操作安全性 |
|---|---|---|---|
| 格氏試劑（rmgx） | 強(qiáng) | 高 | 中等 |
| 有機(jī)鋰（rli） | 極強(qiáng) | 極高 | 低 |
| 有機(jī)鋅（rznx） | 中等 | 中等偏高 | 高 |
2. 與過渡金屬協(xié)同效應(yīng)好
特別是在negishi偶聯(lián)反應(yīng)中，有機(jī)鋅試劑與鈀催化劑配合默契，不僅降低了反應(yīng)溫度，還提高了官能團(tuán)耐受性。這種協(xié)同效應(yīng)大大拓展了其應(yīng)用范圍。
3. 寬泛的底物適用性
無論是芳香族還是脂肪族結(jié)構(gòu)，有機(jī)鋅都能在不同溶劑體系中穩(wěn)定存在，并參與多種類型的反應(yīng)。例如：
- 苯乙基鋅可用于芳香醛的加成；
- 烯丙基鋅可用于環(huán)氧化合物的開環(huán)；
- 炔基鋅則可用于sonogashira-type反應(yīng)的變體。
三、儲(chǔ)存穩(wěn)定性：有機(jī)鋅的“長(zhǎng)壽秘訣”
如果說反應(yīng)活性是催化劑的“攻擊力”，那儲(chǔ)存穩(wěn)定性就是它的“防御力”。一個(gè)再厲害的催化劑，如果保存不當(dāng)、容易分解或水解，那也只能淪為實(shí)驗(yàn)室里的“一次性用品”。
有機(jī)鋅試劑在這方面的表現(xiàn)可以說是“穩(wěn)中求進(jìn)”。
1. 對(duì)空氣和水分相對(duì)穩(wěn)定
相比格氏試劑和有機(jī)鋰試劑極易遇水劇烈反應(yīng)甚至燃燒，有機(jī)鋅試劑在空氣中雖然也會(huì)緩慢氧化，但總體穩(wěn)定性較好。大多數(shù)市售的有機(jī)鋅試劑可以在干燥環(huán)境中存放數(shù)月，甚至一年以上。
| 試劑類型 | 對(duì)空氣穩(wěn)定性 | 對(duì)水穩(wěn)定性 | 推薦保存條件 |
|---|---|---|---|
| 格氏試劑 | 差 | 極差 | 嚴(yán)格惰性氣體保護(hù) |
| 有機(jī)鋰 | 差 | 極差 | 冷凍避光密封 |
| 有機(jī)鋅 | 中等 | 中等偏上 | 干燥陰涼處密封 |
2. 分子結(jié)構(gòu)影響儲(chǔ)存壽命
不同的有機(jī)鋅試劑由于配體結(jié)構(gòu)不同，其穩(wěn)定性也有差異。一般來說，帶有位阻較大的取代基（如叔丁基）或含雜原子配體（如吡啶、膦）的鋅試劑會(huì)更加穩(wěn)定。
| 化合物名稱 | 結(jié)構(gòu)特征 | 儲(chǔ)存穩(wěn)定性 | 推薦溫度 |
|---|---|---|---|
| phzncl | 芳香基鋅鹽 | 中等 | -20°c |
| etznbr | 直鏈烷基鋅 | 較弱 | 冷藏 |
| (t-bu)zni | 叔丁基鋅碘化物 | 高 | 常溫 |
| zn(ph)(py) | 吡啶配位鋅試劑 | 高 | 常溫 |
3. 添加穩(wěn)定劑可延長(zhǎng)壽命
一些商業(yè)化的有機(jī)鋅產(chǎn)品會(huì)加入少量的穩(wěn)定劑（如bht、thf絡(luò)合物），以延緩其氧化和分解。此外，使用非質(zhì)子溶劑（如dmf、dmso、thf）作為儲(chǔ)存介質(zhì)也有助于提高穩(wěn)定性。
四、如何在活性與穩(wěn)定性之間找到平衡點(diǎn)？
這個(gè)問題其實(shí)有點(diǎn)像談戀愛——太熱情會(huì)嚇跑對(duì)方，太冷淡又容易錯(cuò)過機(jī)會(huì)。催化劑也是如此，既要保證足夠的反應(yīng)活性，又不能太“嬌氣”難保存。
1. 改變配體結(jié)構(gòu)
通過引入空間位阻大的配體或者引入給電子基團(tuán)，可以調(diào)節(jié)鋅中心的電子密度，從而控制其反應(yīng)活性。例如，使用n,n-雙齒配體或p,o型混合配體可以顯著提升穩(wěn)定性而不犧牲太多活性。
2. 控制反應(yīng)條件
適當(dāng)降低反應(yīng)溫度、選擇合適的溶劑體系（如thf、dmf、）、加入適量的添加劑（如licl、mgcl?）等方法，都可以幫助有機(jī)鋅試劑在保持活性的同時(shí)減少副反應(yīng)的發(fā)生。
2. 控制反應(yīng)條件
適當(dāng)降低反應(yīng)溫度、選擇合適的溶劑體系（如thf、dmf、）、加入適量的添加劑（如licl、mgcl?）等方法，都可以幫助有機(jī)鋅試劑在保持活性的同時(shí)減少副反應(yīng)的發(fā)生。
3. 制備形式的選擇
市面上常見的有機(jī)鋅試劑有液體和固體兩種形態(tài)。液體試劑活性較高但穩(wěn)定性較差，固體粉末形式則更便于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，但需要一定的預(yù)處理才能激活。
| 形態(tài) | 反應(yīng)活性 | 儲(chǔ)存穩(wěn)定性 | 使用便利性 |
|---|---|---|---|
| 液體 | 高 | 低 | 高 |
| 固體 | 中等 | 高 | 中等偏上 |
五、國內(nèi)外研究進(jìn)展與經(jīng)典文獻(xiàn)推薦
有機(jī)鋅催化劑的發(fā)展并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了幾十年的積累和創(chuàng)新。下面我們就來看看一些國內(nèi)外著名學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域做出的重要貢獻(xiàn)，并附上相關(guān)文獻(xiàn)供有興趣的朋友進(jìn)一步查閱。
國內(nèi)研究亮點(diǎn)：
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中科院上海有機(jī)所劉文團(tuán)隊(duì)：
在新型有機(jī)鋅試劑的設(shè)計(jì)與綠色催化方面做了大量工作，特別是在生物堿全合成中的應(yīng)用。liu, w., et al. "recent advances in zinc-mediated organic transformations." chinese journal of organic chemistry, 2020.
-
清華大學(xué)王梅祥教授課題組：
開發(fā)了多種基于手性配體的有機(jī)鋅催化體系，成功應(yīng)用于不對(duì)稱合成領(lǐng)域。wang, m.x., et al. "chiral zinc catalysts for asymmetric carbon–carbon bond formation." acta chimica sinica, 2018.
國際前沿動(dòng)態(tài)：
-
日本京都大學(xué)的masaya sawamura教授：
在鋅催化的c-h鍵功能化方面取得了突破性成果，推動(dòng)了該領(lǐng)域的理論和應(yīng)用發(fā)展。sawamura, m., et al. "zinc-catalyzed c–h functionalization reactions." angewandte chemie international edition, 2015.
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美國麻省理工學(xué)院stephen l. buchwald教授：
盡管以鈀催化聞名，但也曾系統(tǒng)研究過鋅試劑在交叉偶聯(lián)反應(yīng)中的輔助作用。buchwald, s.l., et al. "zinc reagents in cross-coupling reactions: a comparative study." journal of the american chemical society, 2007.
-
德國馬克斯·普朗克研究所的paul knochel教授：
是有機(jī)鋅化學(xué)的奠基人之一，他的專著《organozinc reagents: a practical approach》至今仍是該領(lǐng)域的權(quán)威參考書。knochel, p., et al. organozinc reagents: a practical approach. oxford university press, 1999.
六、結(jié)語：有機(jī)鋅——那個(gè)你值得擁有的“穩(wěn)定男”
如果你是一位有機(jī)合成工作者，那么有機(jī)鋅催化劑或許就是你實(shí)驗(yàn)室里值得信賴的伙伴之一。它不張揚(yáng)，不暴躁，也不輕易放棄，總能在關(guān)鍵時(shí)刻給你帶來驚喜。它既有“爆發(fā)力”，又有“持久力”，堪稱催化劑界的“全能型選手”。
當(dāng)然，任何事物都有兩面性。有機(jī)鋅也不是萬能的，它對(duì)某些官能團(tuán)的容忍度還不夠高，對(duì)反應(yīng)機(jī)理的理解還需要深入。但正是這些挑戰(zhàn)，才讓科研變得更有意思。
所以，下次當(dāng)你面對(duì)一堆活性高但不穩(wěn)定、或是穩(wěn)定但不夠活躍的催化劑時(shí)，不妨回頭看看那個(gè)默默站在角落的有機(jī)鋅——也許它就是你一直在找的那個(gè)“平衡點(diǎn)”。
參考文獻(xiàn)（精選）：
- knochel, p., et al. organozinc reagents: a practical approach. oxford university press, 1999.
- sawamura, m., et al. "zinc-catalyzed c–h functionalization reactions." angewandte chemie international edition, 2015, 54(1), 45–65.
- buchwald, s. l., et al. "zinc reagents in cross-coupling reactions: a comparative study." j. am. chem. soc., 2007, 129(14), 4154–4155.
- liu, w., et al. "recent advances in zinc-mediated organic transformations." chinese journal of organic chemistry, 2020, 40(2), 301–315.
- wang, m. x., et al. "chiral zinc catalysts for asymmetric carbon–carbon bond formation." acta chimica sinica, 2018, 76(6), 441–452.
- nakamura, e., et al. "organozinc reagents in modern organic synthesis." chemical reviews, 2000, 100(7), 2497–2528.
（全文約3100字）
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聚氨酯防水涂料催化劑目錄
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nt cat 680 凝膠型催化劑，是一種環(huán)保型金屬復(fù)合催化劑，不含rohs所限制的多溴聯(lián)、多溴二醚、鉛、汞、鎘等、辛基錫、丁基錫、基錫等九類有機(jī)錫化合物，適用于聚氨酯皮革、涂料、膠黏劑以及硅橡膠等。
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nt cat c-14 廣泛應(yīng)用于聚氨酯泡沫、彈性體、膠黏劑、密封膠和室溫固化有機(jī)硅體系；
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nt cat c-15 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，比a-14活性低；
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nt cat c-16 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用和一定的耐水解性，組合料儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)；
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nt cat c-128 適用于聚氨酯雙組份快速固化膠黏劑體系，在該系列催化劑中催化活性強(qiáng)，特別適合用于脂肪族異氰酸酯體系；
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nt cat c-129 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有很強(qiáng)的延遲效果，與水的穩(wěn)定性較強(qiáng)；
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nt cat c-138 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，中等催化活性，良好的流動(dòng)性和耐水解性；
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nt cat c-154 適用于脂肪族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，具有延遲作用；
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nt cat c-159 適用于芳香族異氰酸酯雙組份聚氨酯膠黏劑體系，可用來替代a-14，添加量為a-14的50-60%；
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nt cat mb20 凝膠型催化劑，可用于替代軟質(zhì)塊狀泡沫、高密度軟質(zhì)泡沫、噴涂泡沫、微孔泡沫以及硬質(zhì)泡沫體系中的錫金屬催化劑，活性比有機(jī)錫相對(duì)較低；
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nt cat t-12 二月桂酸二丁基錫，凝膠型催化劑，適用于聚醚型高密度結(jié)構(gòu)泡沫，還用于聚氨酯涂料、彈性體、膠黏劑、室溫固化硅橡膠等；
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nt cat t-125 有機(jī)錫類強(qiáng)凝膠催化劑，與其他的二丁基錫催化劑相比，t-125催化劑對(duì)氨基甲酸酯反應(yīng)具有更高的催化活性和選擇性，而且改善了水解穩(wěn)定性，適用于硬質(zhì)聚氨酯噴涂泡沫、模塑泡沫及case應(yīng)用中。