在過去的十年中，化學家們已證明有少數有機化合物具有類似于過渡金屬的催化作用。2007年，Guy Bertrand課題組發現擁有一對孤對電子和一個可接近的空軌道的單重態卡賓的化學性質類似于過渡金屬中心。一些穩定的親電子卡賓不僅可以裂解B-H，Si-H，P-H，N-H，C-H和C-F等化學鍵，甚至可以裂解具有挑戰性H₂和NH₃的分子。最近也有報道表明碳原子上也能發生還原消除反應。但目前為止，很少有能夠活化一氧化碳并催化其進行化學轉化的有機化合物。最近，美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校的Guy Bertrand課題組報道了穩定的單線態兩性卡賓活化CO并催化鄰苯醌化合物的羰基化反應，這為發現無金屬催化羰基化反應鋪平了道路。相關成果近期發表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.0c09938）。

作者設計了一系列反應對催化循環的不同步驟進行研究。首先，卡賓與CO反應生成烯酮。作者選取具有較小單重態-三重態（S/T）能壘的雙環(烷基)(氨基)卡賓BiCAAC和環(烷基)(氨基)卡賓CAAC作為底物分別與CO 反應。實驗表明，這兩種卡賓在室溫下能夠立即與苯或四氫呋喃中的CO反應，分別以85％和90％的分離收率得到相應的烯酮Ket-1和Ket-2（Scheme 1A）。隨后，烯酮與鄰苯醌化合物反應生成相應的內酯。作者以Ket-1和Ket-2為底物分別與9,10-菲醌反應。實驗結果表明，在室溫下該反應可快速定量地合成相應的[4+2]環加成物Lact-1和Lact-2（Scheme 1A）。

（圖片來源: J. Am. Chem. Soc.）

緊接著，對該反應還原消除的可行性進行考察，作者用元素硫（單重態卡賓捕捉劑）處理Lact-1和Lact-2。實驗結果表明，Lact-2在室溫下反應16小時后即可生成Thio-2和Carbo-1，Lact-1必須在80 °C下加熱16 h 才能得到Thio-1以及環狀碳酸酯Carbo-1（Scheme 1B）。作者還研究了BiCAAC和CAAC與Carbo-1的反應，并觀察到相應的螺內酯Lact-1和Lact-2（Scheme 1C）。這證明了該還原消除具有可逆性。

為了對該過程的非對映選擇性進行探索，作者在室溫下以C₆D₆作溶劑，將存BiCAAC與碳酸亞乙酯（Carbo-2）反應。¹H NMR分析顯示得到非對映異構體Lact-3'和Lact-3（74:26）（Scheme 1D）。升高溫度，該比例向熱力學產物（Lact-3）反轉。作者認為，鄰苯醌化合物的非對映選擇性來源于苯氧基陰離子更好的離去能力，這有利于形成o-Bet，從而可以抑制動力學非對映異構體的形成。

為了實現催化循環，作者以螺內酯為底物與一氧化碳進行反應（Scheme 1E）。反應需要在4 atm CO條件下Lact-1和Lact-2才能與CO發生反應得到羰基化產物，作者認為該反應過程依賴于CO壓力。

（圖片來源: J. Am. Chem. Soc.）

基于以上實驗結果，作者提出可能的催化循環過程并進行了計算研究（B3LYP-D3/TZVP）（Scheme 2），作者對BiCAAC、CAAC和CAAC^Me三種卡賓進行計算，發現每種情況下烯酮以及螺內酯（Lact）的形成都是釋放能量的，整個轉變過程也是釋放能量的。計算表明三種卡賓都可以進行還原消除，但使用大位阻的CAAC明顯比使用BiCAAC和CAAC^Me容易得多。

（圖片來源: J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者以Quin為底物，10 mol％ CAAC作催化劑，苯作溶劑，在60 ℃、4 atm大氣壓下反應40 h后，實現了Quin的羰基化反應，并以80％的分離產率得到Carbo-1（Scheme 3）。

（圖片來源: J. Am. Chem. Soc.） 

除此之外，作者發現BiCAAC和CAAC^Me不能催化反應的原因在于這兩類卡賓容易與Quin發生反應，生成不可逆的絡合物I和II，會終止催化循環（Scheme 4）。

（圖片來源: J. Am. Chem. Soc.）

小結：Guy Bertrand課題組開發了一種通過卡賓活化CO實現鄰苯醌化合物羰基化的新策略。該策略證明了強兩親性卡賓如CAACs可以應用于小分子催化中，這類卡賓的電子性質類似于過渡金屬，可以實現過渡金屬催化循環中所有的基本步驟，但是它們的機制可能是不同的，這為催化轉化開辟了新的可能性。