3.3.3 铑催化的卡宾的偶联反应
除钯催化或者铜催化的卡宾的偶联反应以外，关于铑催化的卡宾的偶联反应的研究工作近年来也得到了很大发展。根据金属价态的不同，大致可将其分为RhⅠ或者RhⅢ催化的卡宾的偶联反应。在RhⅠ催化的卡宾的偶联反应中，R—RhⅠ物种一般是通过转金属或者C—C键切断得到的。对于RhⅢ催化剂，一般都是通过C—H键活化产生R—RhⅢ物种（图3-53）。
图3-53 RhⅠ或者RhⅢ催化的卡宾的偶联反应
2011年，Yu课题组首次报道到RhⅠ催化下芳基硼酸、重氮化合物及卤化物的三组分偶联反应（图3-54）[81]。该反应的历程如下：首先芳基硼酸与RhⅠ发生转金属过程，随后分解重氮化合物形成铑卡宾，接着发生铑卡宾的转移插入过程得到氧杂的烯丙基铑物种，该物种会在碱辅助下与卤化物发生亲核取代反应生成最后的产物。控制实验表明，叔丁醇钾在烷基化的过程中起到了关键的作用，主要是促进了形成烯醇负离子的过程。苄基卤化物、碘甲烷、烯丙基溴化物都可以作为合适的亲电试剂参与该反应。该反应的过程中构筑了两个C—C键，提供了一种构建季碳中心的有效方法。除硼试剂以外，其他的偶联试剂也可以发生这种类型的偶联反应。2015年，王剑波课题组首次报道了芳基硅试剂与重氮化合物的偶联反应（图3-55）[82]。该反应展现出很好的底物普适性，特别是烷基取代的α-重氮酯，在之前铑卡宾的偶联反应中的效果并不好，利用芳基硅试剂却可以得到很好的收率。该反应的克级实验也展现出很好的效果。除芳基硅试剂以外，2015年，他们进一步研究发现，利用芳基锡试剂也能顺利地进行该反应（图3-55）[83]。
图3-54 RhⅠ催化下重氮化合物、芳基硼酸及卤化物的三组分偶联反应
图3-55 RhⅠ催化下芳基硅试剂或者芳基锡试剂与重氮化合物的偶联反应
对于RhⅠ而言，R—RhⅠ物种除可以从金属试剂产生以外，还可以通过β-C消除过程得到。2014年，王剑波课题组首次报道了环丁醇作为底物与重氮化合物的偶联反应，最后发生扩环得到苯并五元环的结构，在反应的过程中还产成了两个手性中心（图3-56）[84]。该反应的历程如下：首先环丁醇的羟基与铑配位发生β-C消除过程生成芳基铑物种，随后分解重氮化合物形成铑卡宾，接着发生铑卡宾的迁移插入过程，产生的新的铑物种进攻羰基得到最后的产物。利用三级醇β-C消除过程产生的R—RhⅠ物种与重氮化合物的偶联反应具有一定的普适性。
图3-56 RhⅠ催化下环丁醇与重氮化合物的偶联反应
2015年，该课题组进一步发展了炔基取代的四级醇，通过β-C消除过程产生炔基铑物种，随后与重氮化合物、卤化物发生三组分偶联反应构建四级碳中心（图3-57）[85]。对于该反应，采用大位阻的硅基取代的炔基三级醇作为底物是反应顺利进行的关键，当采用其他类型的炔基底物时，则得到的收率较低或者反应根本不能进行。RhⅠ催化剂除能够通过β-C消除过程活化C—C键后与重氮化合物反应以外，也可以通过氧化加成过程来实现与重氮化合物的偶联反应。
图3-57 RhⅠ催化下炔丙醇与重氮化合物的偶联反应(https://www.daowen.com)
2016年，王剑波课题组报道了RhⅠ催化下乙烯基环丙烷与重氮化合物的偶联反应[86]。如图3-58所示，一般在RhⅠ催化下，发生反应的位点一般是C1—C3键或者C1—C2键。他们报道了比较罕见的C2—C3位点反应的例子。造成这种区域选择性的原因主要是反应机理不同。他们认为在该反应中，重氮化合物会先与RhⅠ形成金属卡宾，此时由于一定的位阻作用，乙烯基环丙烷会优先在位阻更小的C2—C3键位点发生氧化加成，再经过金属卡宾的迁移插入、β-H消除和还原消除等过程得到产物。
图3-58 RhⅠ催化下乙烯基环丙烷与重氮化合物的偶联反应
导向基辅助下RhⅢ催化的C—H键活化已经发展成修饰C—H键的重要方法之一。将其与金属卡宾的偶联反应相结合，可以发展出一类新型的偶联反应，并得到C—H键烷基化的产物。2012年，Yu课题组报道了芳基C—H键与重氮化合物的金属卡宾的偶联反应（图3-59）[87]。该反应有非常好的底物普适性，各种官能团、肟、吡啶、羧酸、胺都可以作为导向基实现该反应，而且最后都可以实现较好的收率。对于该反应的历程，他们认为首先是导向基辅助下芳基C—H键活化得到芳基铑物种，随后分解重氮化合物形成三价的铑卡宾，接着发生迁移插入过程，最后质子解得到产物。根据前面的介绍，我们知道对于金属卡宾插入芳基C—H键，如果是经典的反应模式，一般需要富电子的芳基C—H键才可以发生反应，而利用缺电子的芳基C—H键是不能得到产物的。这类导向基导向的C—H键活化与金属卡宾的偶联结合的新反应模式，成为金属卡宾插入缺电子的芳基C—H键的一种新反应策略。前面RhⅢ催化的反应历程中金属并没有价态的变化，最后金属的结束步骤是通过质子解的过程。如果重氮化合物中卡宾碳的邻位有β-H存在，则此时可能会发生β-H消除过程，随后发生还原消除过程生成RhⅠ物种，如果要回到催化循环，则需要加入氧化剂将RhⅠ氧化回三价，这是RhⅢ催化的C—H键活化反应中的氧化偶联类型。
图3-59 RhⅢ催化下芳基C—H键活化与金属卡宾的偶联反应
2014年，王剑波课题组报道了C—H键与腙的氧化偶联反应。他们利用N-氧酰胺作为导向基，该基团在反应的过程中不仅起到了导向基团的作用，还作为内氧化剂将最后的一价铑氧化回三价，从而完成催化循环（图3-60）[88]。
图3-60 氧化性导向基导向下C—H键与腙的氧化偶联反应
对于该类导向基，除利用腙作为金属卡宾前体可以参与反应以外，同年，该课题组发展了利用环丙烯作为金属卡宾前体的偶联反应（图3-61）[89]。对于该反应，他们提出了两种可能的机理。第一种机理是在C—H键活化形成芳基铑物种后，其与环丙烯反应形成烯基铑卡宾中间体，随后发生铑卡宾的迁移插入过程，接着发生烯丙基铑的迁移过程，最后与氧化性导向基反应得到最后的产物。第二种机理是在形成芳基铑物种后插入环丙烯，随后发生β-C消除过程形成烯丙基铑物种，后面的反应过程与第一种机理类似。现在有理论计算表明，该反应按照第二种机理进行的可能性更大。
图3-61 氧化性导向基导向下C—H键与环丙烯的偶联反应