这篇文档发表于《自然·催化》（*Nature Catalysis*）期刊2022年6月刊，由Satoshi Takebayashi（冲绳科学技术大学院大学）、David Milstein（魏茨曼科学研究所）及其合作者共同完成。研究团队报道了在烯烃复分解领域的一项突破性进展：首次成功设计并表征了可用于高效催化降冰片烯及其衍生物开环易位聚合（Ring-Opening Metathesis Polymerization, ROMP）的明确结构三配位铁（II）催化剂。这项工作为开发经济、生物相容性好的铁基烯烃复分解催化剂打开了大门，具有重要的科学和应用价值。
学术背景 烯烃复分解反应是构建碳-碳双键最重要的催化反应之一，其重要性在2005年被授予诺贝尔化学奖。目前，钼（Mo）和钌（Ru）的卡宾（carbene）配合物是该反应商业化且应用最广泛的“金标准”催化剂。然而，开发基于铁的烯烃复分解催化剂一直是该领域长期追求的目标。铁是地球上最丰富、生物相容性好、无毒且廉价的过渡金属，基于铁的催化剂将是理想的替代品。尽管有计算研究预测铁配合物在合适的配体下可能具有类似钌的活性，但由于铁-亚烷基（iron–alkylidene）中间体倾向于催化烯烃环丙烷化等副反应，以及Grubbs型铁-卡宾配合物可能过于不稳定等原因，在此之前尚未有明确结构的铁基烯烃复分解催化剂的成功报道。仅有的几例铁催化ROMP报道，其催化活性（周转数TON < 9）和选择性（ROMP单元比例低）均不理想。因此，开发高活性、高选择性的明确结构铁催化剂是领域内一个重大挑战。
本研究旨在通过创新的金属-配体协同（Metal-Ligand Cooperation）策略，特别是基于吡啶骨架的钳形配体（Pincer Ligand）的脱芳构化-再芳构化过程，来设计合成新型铁配合物，并探索其在烯烃复分解，特别是ROMP反应中的催化性能。研究目标包括：1) 合成并表征一系列新型三配位铁（II）烷基配合物；2) 测试其对降冰片烯等环状烯烃的ROMP催化活性；3) 深入探究催化反应的机理，特别是活性铁-卡宾物种的形成途径；4) 评估所得聚合物的立体规整性和分子量等性质。
详细工作流程 本研究包含催化剂设计与合成、催化性能测试、聚合物表征、反应机理探究以及理论计算验证等多个紧密衔接的环节。
1. 催化剂的设计、合成与表征： 研究团队基于金属-配体协同的理念，设计并使用大位阻的吡啶-膦（PN）钳形配体，合成了一系列铁（II）二卤化物配合物（如 1 和 1-Br）。通过单晶X射线衍射、元素分析、核磁共振（NMR）和磁学测量等手段，确认了这些配合物为具有四面体几何构型的高自旋铁（II）配合物。
随后，他们向配合物 1 中加入两当量的三甲基硅甲基锂（LiCH2SiMe3）或新戊基锂，成功制备了关键的烷基铁配合物 2 及其类似物（如 2-CMe3, 2-PtBu, 2-Tipp）。这些反应伴随着硅甲烷（SiMe4）或新戊烷（CMe4）的生成，表明发生了烷基转移。为了获得固态结构信息，他们通过添加4-二甲氨基吡啶（DMAP）得到了配合物 2 的加合物 3，并解析了其单晶结构。
对配合物 2 及其类似物的详细表征是本研究的基础。X射线衍射分析显示，2-PtBu 具有三配位、平面三角形的几何构型，并伴随着配体的脱芳构化，同时铁-碳键（Fe–C）很短（2.0176 Å），这是高反应性的潜在标志。而 2-Tipp 在固态下则通过配体桥联形成了二聚体。在溶液中，通过电子顺磁共振（EPR，显示高自旋铁（II）特征信号）、变温磁化率测定以及扩散序谱NMR（DOSY）等手段，证实了这些烷基铁配合物主要以单体形式存在，并具有高自旋、平面三角形的电子结构。特别重要的是，在 1H NMR 谱图中，Fe-CH2SiMe3 基团中的氢原子信号出现在异常低场（1717–1876 ppm），这是由大的自旋-轨道耦合引起的特征信号，进一步确认了铁中心独特的电子环境。
2. 铁催化烯烃的开环易位聚合（ROMP）性能测试： 研究人员系统评估了配合物 2 及其类似物对多种环状烯烃的ROMP催化活性。核心实验是：在苯溶液中，加入1 mol%的催化剂 2 和100当量的降冰片烯，在25°C下反应。他们观察到聚合物迅速形成并以高收率（>99%）得到不溶的产物。催化剂负载量可降低至0.1 mol%，仍能保持较高活性（TON达880），这比之前报道的原位生成铁催化剂的活性高约100倍。
他们测试了不同取代基的降冰片烯衍生物（如含SiMe3或苯基），发现都能以中等至高收率聚合。然而，含有氧或氮官能团的底物（如酯基、羟基）则不能聚合， likely due to the coordination of these functionalities to 2 to form complexes similar to the dmap complex 3。值得注意的是，降冰片二烯（norbornadiene）在该体系下不发生聚合，而环丙烯（cyclopropene）则发生加成聚合而非ROMP。这些底物选择性为机理研究提供了线索。
研究还发现，添加少量水（<1 equiv. per Fe）可以加速聚合反应，而过量水（>1 equiv.）则会使催化剂失活。这表明微量水可能作为助催化剂，促进了某个关键质子转移步骤。
3. 聚合产物的详细表征： 对所得聚降冰片烯 4 的深入表征是本研究的一大亮点。由于聚合物在常规溶剂中不溶，他们开发了在高温高压下用氘代氯仿溶解的方法进行NMR分析。1H NMR 谱图显示，聚合物 4 完全由反式（trans-）双键构成，这与使用Grubbs I催化剂得到的以顺式（cis-）双键为主的聚合物形成鲜明对比。
通过将聚合物 4 部分环氧化，并利用 1H–1H 梯度增强相关谱（gCOSY） 分析，他们进一步确定 4 是具有高立构规整度的全同立构（*isotactic*）聚合物。这意味着每个单体单元以相同的手性方式插入聚合物链。据他们所知，这种高选择性（>99%）的trans-, isotactic 聚降冰片烯的合成是前所未有的。
分子量表征极具挑战。凝胶渗透色谱（GPC）在高温下对可溶部分的分析显示重均分子量（*M*w）高达 8.84 × 10^6。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）对完全溶解的稀溶液分析表明，聚合物的流体力学半径和颗粒尺寸远大于已知高分子量聚苯乙烯标准品，暗示本体聚合物的分子量很可能超过 1.29 × 10^7 g/mol，且尺寸分布很窄。这证明了该铁催化剂能够合成超高分子的立构规整聚合物。
4. 反应机理的实验探究： 本研究通过一系列精巧的实验来阐明催化机理。 * 排除杂质催化可能： 通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）排除了痕量钌杂质催化的可能性。他们合成了钌类似物 5，并证明其完全无ROMP活性。中毒实验（加入DMAP）和无需搅拌棒仍能反应的实验，进一步排除了其他金属杂质或搅拌棒引入杂质催化的可能。 * 活性物种形成路径： 研究聚焦于催化剂如何从烷基铁前体 2 生成关键的铁-卡宾活性物种。他们观察到 2 在加热下会分解生成1,2-双(三甲基硅基)乙烯，这可能是卡宾配体二聚的产物。更直接的证据来自用一氧化碳（CO）捕获实验：将 2-Tipp 与过量CO反应，通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）检测到了酮烯（O=C=CHSiMe3）的生成，这是金属卡宾与CO反应的标志性转化。当使用氘代配合物 2-d2（Fe-CD2SiMe3）时，生成了O=C=CDSiMe3，直接证明了酮烯中的亚甲基来源于最初的Fe-CH2SiMe3基团。 * 动力学同位素效应（KIE）研究： 使用氘代底物（降冰片烯-2,3-d2）和氘代催化剂（2-d2）进行的KIE实验为机理提供了关键信息。底物KIE为1.36，不支持降冰片烯的C-H活化是决速步。而催化剂KIE高达2.36，强烈表明涉及Fe-CH2SiMe3中C-H键断裂的步骤（即α-氢消除）是反应的决速步。 * 中间体捕获与催化剂失活途径： 为了理解为何降冰片二烯不反应，他们将其与 2 混合，成功分离并解析了一个新配合物 6 的单晶结构。X射线显示，降冰片二烯的一个双键插入到了铁中心与配体苄位碳之间，形成了一个四配位的二烷基铁配合物。这种通过金属-配体协同作用活化非极性C=C键的模式是前所未有的。类似地，在低温下用降冰片烯也能捕获到可逆的加合物 7。这些加合物是催化失活物种，其存在解释了降冰片二烯的惰性，并暗示了催化循环中可能存在的休眠态。 * 配体关键作用验证： 他们将PN配体中的CH2PiPr2基团替换为CMe2PiPr后，得到的催化剂完全失活。这强烈表明配体臂上可脱质子的亚甲基（-CH2-）对于通过脱芳构化-再芳构化过程生成活性物种至关重要。
5. 密度泛函理论（DFT）计算： 初步的DFT计算为反应机理提供了理论支持。计算表明，降冰片烯配位到催化剂 2 上形成加合物 A 后，可能通过α-氢消除及配体质子转移，生成铁-卡宾-降冰片烯复合物 B，但此过程在能量上不利（+22.8 kcal/mol），这与观察到的缓慢引发步骤和生成高分子量聚合物的现象一致。计算还发现，在众多可能的 B 的构象异构体中，最终生成trans-金属杂环丁烷（trans-metallacyclobutane）中间体 C 的路径在能量上最有利（比其他构象低3.2 kcal/mol）。这种能量差异足以驱动反应选择性地生成全反式、全同立构的聚合物。铁-卡宾键的易旋转性有助于体系弛豫到这个最稳定的构象。
主要结果 1. 成功合成与表征新型铁催化剂： 合成并全面表征了一系列基于脱芳构化PN配体的三配位高自旋铁（II）烷基配合物（如 2, 2-CMe3等），确定了其独特的结构和电子性质。 2. 实现高效、高选择性的铁催化ROMP： 配合物 2 能高效催化降冰片烯的ROMP，TON高达880，远超此前报道的铁催化剂。该反应对底物结构敏感，能耐受硅烷基和芳基取代，但对极性官能团和降冰片二烯不反应。 3. 获得具有独特立构规整度的聚合物： 首次使用铁催化剂合成了几乎完全为trans-, isotactic 构型的聚降冰片烯，并证实其具有超高分子量（>10^7 g/mol）。这种立体选择性是钼、钨、钌催化剂难以实现的。 4. 证实铁催化剂具有交叉复分解（Cross Metathesis）活性： 在苯乙烯存在下进行ROMP，得到了末端带有亚甲基和反式苯基亚甲基的聚合物，直接证明了铁催化剂能催化聚降冰片烯与苯乙烯的交叉复分解反应。 5. 揭示了基于α-氢消除的活性物种生成机理： 通过氘代标记实验、CO捕获、KIE测定以及中间体分离，提供了强有力的实验证据，表明催化活性物种铁-卡宾是通过烷基配体的α-氢消除，随后配体再芳构化而形成的。配体的脱芳构化-芳构化循环在这一过程中起到关键作用。 6. 阐明了催化剂失活与立体选择性来源： 分离鉴定了与降冰片（二）烯形成的加合物（6, 7），揭示了催化剂的潜在失活途径。DFT计算为高*trans-*和全同立构选择性提供了合理解释，即由最稳定的铁-卡宾-单体配位构象所决定。
结论与意义 本研究的核心结论是：通过合理的配体设计（基于吡啶的PN钳形配体及金属-配体协同），成功开发了首例明确结构的、具有高活性和独特立体选择性的铁基烯烃开环易位聚合催化剂。该工作不仅实现了铁在烯烃复分解这一重要催化反应中的高效应用，更获得了具有新颖立体结构的聚合物材料。
其科学价值在于：1) 突破了铁催化烯烃复分解的长期瓶颈，证明了通过精心设计的配体环境，可以稳定并利用高活性的铁-卡宾中间体，规避不利的副反应路径。2) 深化了对金属-配体协同作用的理解，展示了配体脱芳构化在创造配位空位和促进质子/氢转移以生成关键中间体方面的强大能力。3) 为立体选择性聚合提供了新工具，实现了对聚降冰片烯立体化学的精确控制，拓展了高分子合成化学的工具箱。
其应用潜力在于：铁元素储量丰富、价格低廉、毒性低，开发高性能的铁催化剂符合绿色和可持续化学的发展方向。这项工作为开发可用于精细化学品、高分子材料合成等领域的经济、环境友好的新一代烯烃复分解催化剂奠定了基础。
研究亮点 1. 开创性： 这是首例关于明确结构、高活性铁基ROMP催化剂的系统性报道，实现了该领域从“长期追求”到“实际突破”的跨越。 2. 高活性与高选择性： 催化剂活性（TON）比之前最好的铁催化剂提高两个数量级，并展现出近乎完美的*trans-*和全同立构选择性，这是其他金属催化剂难以实现的组合。 3. 机理深刻： 研究不仅展示了催化性能，更通过多维度、相互印证的实验手段（合成、表征、动力学、同位素标记、中间体捕获）和理论计算，深入揭示了基于α-氢消除和金属-配体协同的独特催化机理，为后续催化剂设计提供了清晰蓝图。 4. 方法新颖： 在聚合物表征（高温高压NMR、结合部分化学修饰的立构规整度分析）和机理探究（如利用CO捕获瞬态卡宾物种）方面采用了巧妙而有力的方法。 5. 概念验证： 成功将金属-配体协同的概念应用于非极性C=C键的活化以及铁催化烯烃复分解，拓展了该策略的应用范围，证明了通过配体设计调控铁催化性能的巨大潜力。
其他有价值内容 研究还包含了对催化剂结构-活性关系的初步探索（如 2-PtBu 因空间位阻大而活性低），以及对微量水加速作用的观察（虽未完全阐明机理，但提供了重要线索）。这些细节为未来进一步优化催化剂性能和理解反应细节提供了切入点。作者在文末展望，当前工作将加速铁复分解催化剂的进一步发展。