3.2.1 铑或者铜催化的卡宾的反应
自由卡宾可以发生多种类型的反应，但是反应往往不受控制，实用价值较小。直到铜催化剂和羧酸铑催化剂的发展，通过形成金属卡宾，极大地稳定了卡宾物种，使得很多反应可以高效地进行。其中，金属卡宾与杂原子亲核试剂发生叶立德形成反应是金属卡宾的一类经典反应（图3-6）。
图3-6 金属卡宾的叶立德形成反应
其中，金属卡宾与烯丙基硫醚的反应被称为Doyle-Kirmse反应。该反应最早是由Kirmse发现的[18]，随后Doyle对其进行了进一步的发展[19]。这个反应的历程一般如下：过渡金属催化剂首先分解重氮化合物形成金属卡宾，随后与烯丙基硫醚硫的孤对电子作用生成硫叶立德中间体，进一步发生[2，3]-σ重排得到最后的产物（图3-7）。该反应将产生一个手性中心，因此实现不对称的Doyle-Kirmse反应成为进一步研究的焦点。Uemura等最早对该反应的不对称过程进行了尝试[20]，虽然结果并不理想，但是为后来人们实现高对映选择性的不对称Doyle-Kirmse反应带来了希望。2005年，王剑波课题组利用手性辅基的策略首次实现了高对映选择性的Doyle-Kirmse反应（图3-8）[21]。他们采用手性辅基樟脑磺酰胺、一价铜催化剂和亚胺配体，可以顺利地实现重氮化合物形成卡宾后与烯丙基硫醚的高对映选择性反应。
除烯丙基硫醚以外，炔丙基硫醚也能很好地控制对映选择性。虽然利用辅基控制可以实现Doyle-Kirmse反应的高对映选择性，但是真正经过不对称催化过程的高对映选择性的Doyle-Kirmse反应一直没有被报道。2017年，王剑波课题组在研究这一反应的不对称催化过程中取得了突破，首次实现了催化剂控制的高对映选择性的Doyle-Kirmse反应（ee%[1]=67%～98%）（图3-9）[22]。硫三氟甲基的引入对于反应的对映选择性有着非常重要的影响。最开始他们采用手性的二价铑催化剂催化该反应，后来他们进一步发现利用更加廉价的一价铜催化剂，并加入手性配体，也可以很好地控制该反应的对映选择性。
图3-7 Doyle-Kirmse反应的反应历程
图3-8 辅基控制的不对称Doyle-Kirmse反应
图3-9 首次不对称催化的高对映选择性的Doyle-Kirmse反应
在上述的Doyle-Kirmse反应中，烯丙基或者炔丙基硫化合物的硫原子和金属卡宾先形成叶立德，再发生[2，3]-σ重排得到产物。其实除烯丙基硫醚化合物以外，烯丙基醚类化合物[23，24]、烯丙基胺类化合物[25]都可以与金属卡宾发生类似的[2，3]-σ重排反应并得到相应的产物。杂原子亲核试剂与金属卡宾形成叶立德后，除可以发生[2，3]-σ重排以外，也可以发生[1，2]-重排（Stevens重排）[26]。其反应模式如图3-10所示。
图3-10 Stevens重排的反应历程
杂原子亲核试剂与金属卡宾形成叶立德后，除发生上述的重排反应以外，还可以发生环加成反应。一般是碳基的氧原子作为亲核试剂与金属卡宾反应形成羰基的叶立德，此时的叶立德作为一种1，3偶极子与烯烃或者炔烃发生环加成反应（图3-11）[27，28]。
图3-11 金属卡宾的环加成反应
金属卡宾对于X—H（X=C，B，Si，N，O，S）键的插入反应又是金属卡宾的一种反应类型，目前已经发展成构建碳杂键或者碳碳键的重要方式。对于极性的X—H （X=O，N，S）键的插入反应，通常认为插入过程是亲电性的金属卡宾首先与杂原子形成叶立德中间体，随后发生质子1，2-迁移（图3-12）[29]。对于该类型的反应，发生质子1，2-迁移的中间体是带有金属的叶立德中间体，还是没有金属的叶立德中间体，这一直是研究者关注的焦点。如果是带有金属的叶立德中间体，就有希望通过金属上手性配体的控制来实现该反应的不对称催化过程。如果是不带金属的叶立德中间体，就需要采用其他的策略来实现不对称催化过程。最近，周其林课题组发展起来的手性螺环配体在这方面取得了很大的进展。他们使用的金属催化剂是一价铜和二价铁催化剂。对于金属卡宾对水的插入反应，DFT计算表明[30]，在二价铑卡宾与杂原子形成的叶立德中间体中，金属可能优先离去，变成不带金属的叶立德后再发生质子1，2-迁移，所以有可能通过向体系中加入手性磷酸作为手性质子梭来控制反应的对映选择性。但是在铜催化的这类反应中，DFT计算表明，铜可能是连在叶立德上的，所以通过选择合适的手性配体就能够很好地控制这类反应的对映选择性。(https://www.daowen.com)
图3-12 金属卡宾插入杂原子X—H键的反应历程
金属卡宾插入C—H键的反应是按照完全不同的机理进行的。一般认为，金属卡宾插入烷基C—H键的反应是按照三元环的过渡态机理进行的（图3-13）[31]。在有机化合物中，烷基C—H键广泛存在，直接从C—H键出发并实现其官能团化具有重要的意义。对于金属卡宾插入烷基C—H键的反应，实现高区域选择性的反应具有挑战性。更进一步地，在实现高区域选择性的同时实现高对映选择性的插入反应就更具有挑战性了。最近，Davies课题组通过催化剂的筛选，实现了利用不同的催化剂控制不同反应位点的C—H键的高对映选择性插入过程（图3-14）[32-34]。
图3-13 金属卡宾插入烷基C—H键的反应历程
图3-14 金属卡宾高区域选择性和对映选择性插入烷基C—H键
金属卡宾除可以插入烷基C—H键以外，也可以实现芳基C—H键的插入。此时反应机理又与烷基C—H键插入的反应机理不同。一般认为，金属卡宾插入芳基C—H键的反应是按照富电子的芳环进攻亲电性的卡宾中间体的过程进行的，类似于傅氏反应的机理（图3-15）[35]。目前，利用金属卡宾插入芳基C—H键也发展成了实现芳环C—H键官能团化的一种重要的策略。但是对于缺电子的芳基C—H键，按照这种金属卡宾的经典反应模式是不能进行的。
图3-15 金属卡宾插入富电子芳基C—H键的反应历程
除芳基C—H键以外，烯基C—H键也广泛存在。但是关于金属卡宾插入烯基C—H键的反应的报道却非常少。主要是因为烯烃很容易与金属卡宾发生环丙烷化的副反应，使得插入烯基C—H键的过程无法进行。2017年，王剑波课题组通过分子内的策略探索了金属卡宾插入烯基C—H键的反应（图3-16）[36]。应用羧酸二价铑催化剂或者廉价的碘化亚铜催化剂，均可以得到较好的收率。他们进行了较为详细的机理研究，认为该反应包括金属卡宾形成、双键亲核进攻卡宾发生环化、去芳构化、1，5-氢迁移等过程。从反应机理上看，该反应历程是一种金属卡宾形式上插入烯基C—H键的过程。但是实现具有普适性的金属卡宾插入烯基C—H键的反应仍然具有一定的挑战性。
图3-16 RhⅡ或者CuⅠ催化下金属卡宾形式上插入烯基C—H键的反应
金属卡宾与烯烃形成环丙烷的反应又是一类重要的反应。该反应最早可以追溯到19世纪50年代，其中二价铑和一价铜、二价铜是常用的环丙烷化反应的催化剂。随着手性二价铑催化剂的发展，特别是Doyle[37]和Davies[38]等的贡献，不对称的环丙烷化反应也已经发展得较成熟（图3-17）。
图3-17 金属卡宾的环丙烷化过程
