從“碳基生命”這個詞，大概就能知道碳對于我們的重要意義。在化學領域尤其是有機化學領域，碳也極其重要，甚至可以這麼說，有機化學主要就是在建立和破壞與碳相連的鍵。不過一般情況下，化學反應中被操控的碳中心已經與多個其他原子結合，并非真正的“單原子碳”。在單原子水準上對分子中的某些位點進行精确修飾是化學中最優雅但又最困難的轉化之一，而專門設計試劑進行單原子碳的化學選擇性引入是一項特别艱巨的挑戰。通常情況下，碳原子極度親電，通常由碳弧放電然後蒸發到低溫基質中進行處理獲得，但是電子束和雷射蒸發石墨法都需要精密的裝置，同時還會産生碳原子的低聚物。如圖1A所示，二氧化三碳（I）和5-重氮四氮唑（II）等分子可以通過加熱或光照來釋放碳原子，但是其根本問題在于涉及碳原子的反應是非選擇性的，這嚴重限制了其合成應用。最近，Tobisu等人利用N-雜環卡賓（NHC IV）作為碳原子轉移試劑（圖1B），成功地将α,β-不飽和酰胺轉化為γ-内酰胺。事實上，穩定形式的親電碳原子試劑是以零價[C(0)]形式存在（即carbones），并且兩側含有兩個中性供體基團。盡管目前報道過許多方法來合成carbones及其Lewis酸絡合反應和小分子活化，但很少将其應用于有機合成中的轉移反應，僅有不對稱P,S-雙(葉立德)（III）在多組分反應中可作為碳源。近期，化學家将類carbone化合物（如：金屬化葉立德）的化學性質擴充到PPh3/CO或N2/CO交換的碳反應。
考慮到Seyferth-Gilbert和Bestmann-Ohira試劑（Va和Vb）可通過重氮膦基碳負離子中間體VI釋放磷酸酯和N2以将醛轉化為炔烴（圖1C），德國多特蒙德工業大學的Max M. Hansmann教授課題組近日在Science 上報道了一種穩定的碳原子轉移試劑——重氮磷葉立德Ph3PCN2（圖1D），其C(0)原子與兩個化學不穩定試劑（即三苯基膦（PPh3）和N2）鍵合。此外，Ph3PCN2在無添加劑的條件下可作為三種高選擇性轉移試劑（即Ph3PC、CN2、C原子源）進行反應，進而形成多取代吡唑、炔烴、丁三烯等化合物。
圖1. 背景介紹及本文工作。圖檔來源：Science
首先，作者使用碳二磷烷和N2O經重氮轉移過程來合成目标試劑，當Ph3P=C=PPh3（2a）與N2O在室溫下進行反應時十分緩慢，但在N2O氣氛下将2a稍微加熱至60℃時便可選擇性地獲得兩個新的31P NMR信号（δ=7.6和24.7 ppm，1:1），其中24.7 ppm處信号對應于Ph3PO（圖2A）。此外，盡管紅外光譜的ṽ=1989 cm-1處特征性尖峰表明生成了目标磷葉立德1，但要想将其與Ph3PO幹淨分離并非易事。為此，作者使用不對稱碳二膦烷2b（Ph3P=C=PnBu3）作為前體以實作幹淨分離，具體而言：從市售廉價的PPh3出發，經三步反應合成了含有PPh3和PnBu3的不對稱碳二磷烷2b，将後者暴露于N2O中經N2/PnBu3交換便可獲得所需的重氮磷葉立德1（灰白色固體），并且nBu3PO優先于Ph3PO進行消除（nBu3PO:Ph3PO=7:1），同時反應條件更溫和。如圖2B所示，計算研究表明N2/PnBu3交換是通過一系列(3+2)環加成和retro-(3+2)環加成進行的，并且碳原子上較高的電子雲密度降低了碳二膦烷親核進攻N2O的反應能壘，這與實驗結果相一緻。另外，作者通過X-射線衍射分析确定了1的彎曲異-累積結構（圖2C），其中P1=C1鍵距[1.679(3) Å]略長于其前體Ph3P=C=PPh3[2a，1.5998(5)-1.642(1) Å]和Bestmann烯酮[Ph3P=C=C=O（5），1.671(2) Å]，并且P1-C1-N1角僅為121.6(3)°，這比其它含PPh3的異-累積結構（如：5[143.1(1)]和6[132.09(8)]）更尖銳（圖3A）。
其次，1的13C{1H} NMR譜在7.7 ppm處為雙峰信号，其與相鄰31P核（1JC,P=27.2 Hz）的耦合非常小，是以可将其歸屬為中心C1原子；同時13C{31P}{1H} NMR光譜證明該雙峰解耦為單峰信号，這與規範不變原子軌道（GIAO）計算和13C标記實驗（Ph3P13CN2）的結果相一緻。另外，熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）研究表明1具有很好的熱穩定性（圖2D）。事實上，1在惰性氣氛下也是高度穩定的，即使在100℃的溶液中（0.5 M THF溶液）長時間加熱也不會顯著分解，這與液态B.O.試劑（~90℃開始分解）形成鮮明對比。随後，作者利用密度泛函理論（DFT）計算對1的電子特性和鍵合情況進行了研究，其中Kohn-Sham最高占據分子軌道-1（HOMO-1，-7.06 eV）是相對于P1-C1-N1平面的σ型LP(C1)軌道（LP1），而HOMO（-6.53 eV）是相應的π型LP(C1)軌道（LP2），兩者都受到來自π*(N1≡N2)軌道的強烈貢獻（圖2E）。此外，自然定域分子軌道（NLMO）分析、自然布居分析電荷分析和自然鍵軌道（NBO）分析均表明中心碳原子上存在兩對孤對電子，進一步證明1含有PPh3和N2穩定的“C(0)”原子。
圖2. 葉立德1的合成及其性質研究。圖檔來源：Science
接下來，作者對1的反應性進行了研究，具體而言：1）通過N2交換反應，1能分别與CO、二甲基苯基異腈和N-雜環卡賓進行N2/CO、N2/R-NC、N2/R2C交換反應并獲得相應的Bestmann烯酮5（産率：79%）、磷烷烯酮亞胺6（産率：67%）和雜聯烯7（産率：94%），其中産物6和7通過X-射線衍射分析對其結構進行了表征（圖3A）；2）1能以多組分方式對缺電子烯烴進行化學選擇性CN2轉移（圖3B），例如：1與trans-查爾酮發生(3+2)環加成反應并形成phosphoranylidene吡唑中間體X，然後經質子轉移、親電試劑官能團化（本文為苯甲酰氯）以及堿（NaH）輔助PPh3消除，最終以92%的産率獲得高度取代的吡唑9a，同時還能相容不同基團取代的trans-查爾酮（9ab-9ac）、氰基取代的烯烴（9b）以及β-硝基苯乙烯（9c），後者硝基被消除後得到吡唑主鍊上沒有吸電子基團的吡唑（9c）。此外，盡管B.O.試劑産生的碳負離子VI也能與烯烴發生類似的(3+2)環加成反應，但是膦酰基部分通常無法消除，進一步展示出中性PPh3試劑的優勢。
圖3. 基團轉移反應。圖檔來源：Science
最後，作者利用葉立德1對碳原子交換反應進行了研究，結果顯示1與醛進行反應時生成相應的炔烴，計算研究支援Wittig型機制以生成瞬态重氮烯烴，釋放N2并得到vinylidenes，接着發生1,2-H遷移而非1,2-芳基遷移便可獲得相應炔烴。如圖4所示，一系列不同電性/空間位阻基團取代的芳基醛（12aa-12ai）、雜芳基醛（12b）、α,β-不飽和醛（12c）、烷基醛（12d-12f）、非環狀芳基酮（12ha、12hb）甚至4-乙酰苯甲醛（12i）和1,5-二苯基-1,5-戊二酮（12j）均能相容該反應，以良好至優異的産率獲得相應炔烴。值得一提的是，α-酮醛苯基乙二醛以類似于CN2轉移部分讨論的方式選擇性地得到phosphoranylidene吡唑（14g），這說明C原子轉移和(3+2)環加成的一鍋法序列可直接從α-酮醛出發獲得多官能團化吡唑。基于此結果，作者對C原子轉移和(3+2)環加成反應的相對反應速率進行了評估：即醛→末端炔烴>(3+2)環加成→缺電子炔烴>酮→内部炔烴。值得注意的是，由于羰基碳原子上較高的電子密度，無環酰胺和酯（如：N,N-二甲基苯甲酰胺和苯甲酸乙酯）即使在100℃也不會發生反應。其次，當使用二烷基酮或環酮作為底物來抑制取代基發生1,2-遷移時，可以良好的産率獲得相應的丁三烯，例如：丙酮（13k）、不同基團取代的環酮（13la-13m）、N-甲基哌啶酮（13n）、大位阻2-金剛烷酮（13o，需升溫至90℃）、環十二酮（13p）、四氫萘酮（13q）甚至複雜類固醇衍生物3-甲氧基雌酮（13t）均能與葉立德1有效進行反應，盡管環十二酮（13p）進行反應時得到相應的丁三烯13p和環十三炔12p。然而，具有較大環庚酮核心的環狀芳基酮進行反應時卻生成相應的phosphoranylidene吡唑14r和 14s，這說明張力較小的環酮更傾向于1,2-遷移而非二聚化，進而允許通過C原子轉移到環酮來形成張力炔烴。
圖4. 羰基化合物的碳原子轉移反應。圖檔來源：Science
總結
Max Hansmann教授課題組發展了一種新型穩定的碳原子轉移試劑——Ph3PCN2，其C(0)原子與兩個化學不穩定試劑（即PPh3和N2）鍵合。Ph3PCN2在無添加劑的條件下可作為三種高選擇性轉移試劑（即Ph3PC、CN2、C原子源）進行反應，進而形成多取代吡唑、炔烴、丁三烯等化合物。毫無疑問，這一發現為有機化學中的碳原子轉移提供了新型且穩定高效的解決方案。
Ph3PCN2: A stable reagent for carbon-atom transfer
Taichi Koike, Jhen-Kuei Yu, Max M. Hansmann
Science, 2024, 385, 305-311. DOI: 10.1126/science.ado4564
（本文由吡哆醛供稿）