持続性カルベン

1957年、ロナルド・ブレスローは、ビタミンB1 _（チアミン）由来の比較的安定な求核性カルベンが、フルフラールからフロインを生成するベンゾイン縮合に関与する触媒であると提唱した。^{[ 2 ] [ 3 ]}このサイクルでは、ビタミンのチアゾリウム環が（環の炭素2に結合した）水素原子をフルフラール残基と交換する。重水素化水中では、C2-プロトンが統計的平衡で重水素と急速に交換することがわかった。^{[ 4 ]}

この交換反応はチアゾール-2-イリデン中間体を介して進行すると考えられていた。2012年にいわゆるブレスロー中間体の単離が報告された。^{[ 5 ] [ 6 ]}

1960年、ハンス＝ヴェルナー・ワンツリックらは、ジヒドロイミダゾール-2-イリデン由来のカルベンは、対応する2-トリクロロメチルジヒドロイミダゾール化合物の真空熱分解によってクロロホルムが脱離して生成されると推測した。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}彼らは、カルベンはテトラアミノエチレン誘導体であるその二量体と平衡状態にあると推測し、これをワンツリック平衡と呼んだ。この推測は、1964年にレマルらが二量体が解離しない証拠を提示し^{[ 10 ]} 、 1965年にはウィンバーグによっても異議を唱えられた。 ^{[ 11 ]}しかし、デンク、ヘルマンらによるその後の実験では、特定の条件下ではあるものの、この平衡が確認されている。^{[ 12 ] [ 13 ]}

1970年、ワンズリックのグループはイミダゾリウム塩の脱プロトン化によりイミダゾール-2-イリデンカルベンを生成した。 ^{[ 14 ]}ワンズリックとロアルド・ホフマン^{[ 9 ] [ 15 ]}は、ヒュッケル型の芳香族性により、これらのイミダゾールベースのカルベンは4,5-ジヒドロ類似体よりも安定であるはずだと提案した。しかし、ワンズリックはイミダゾール-2-イリデンを単離せず、代わりに水銀とイソチオシアネートとの配位化合物を得た。^{[ 14 ]}

1988年、Guy Bertrandらはホスフィノカルベンを単離した。これらの種はλ ³ -ホスフィノカルベンまたはλ ⁵ -ホスファアセチレンとして表すことができる。^{[ 16 ] [ 17 ]}

これらの化合物は、リン原子とケイ素原子の対照的な電子親和性にちなんで「プッシュプルカルベン」と呼ばれ、カルベン反応性とアルキン 反応性の両方を示しました。その電子構造は不明でした（そして不明のままでした！）。2000年、ベルトランは、-30 ℃の溶液中で安定な（ホスファニル）（トリフルオロメチル）カルベンを含む、ホスファニル型のカルベンをさらに入手しました。 ^{[ 18 ]}

1991年、アルドゥエンゴらはイミダゾリウムカチオンの脱プロトン化により最初の結晶性ジアミノカルベンを得た。 ^{[ 19 ]}

このカルベンは、イミダゾール-2-イリデン骨格を持つカルベンの大きなファミリーの先駆けとなるもので、酸素と水分がない状態では室温で永久に安定であり、240～241  ℃で分解することなく融解する。

空気中で安定な最初のアルドゥエンゴカルベン（イミダゾール-2-イリデンファミリーの塩素化メンバー）は1997年に得られた。^{[ 20 ]}

現代の理解では、安定なカルベンの表面的に空いているp軌道は、実際には完全に空ではありません。代わりに、カルベンのルイス構造は、隣接する孤立電子対またはπ結合軌道への配位結合と共鳴しています。^{[ 21 ]}

持続性カルベンがイリド性を持つことは、ほとんど自明ではなく、実際、当初は否定されていました。N , N′-ジアダマンチル-イミダゾール-2-イリデンのX線構造は、カルベンの環内のN-C結合長が親イミダゾリウム化合物よりも長いことを示しており、これらの結合の二重結合性が非常に低いことを示唆しています。 ^{[ 22 ]} そのため、初期の研究者は、アルドゥエンゴカルベンの安定性は、他の分子との反応を妨げるかさ高いN-アダマンチル置換基によるものだと考えていました。

しかし、N-アダマンチル基をメチル基に置換すると、熱力学的に安定な非立体障害NHC（3D）である1,3,4,5-テトラメチルイミダゾール-2-イリデン（Me ₄ ImC:）も得られる^{[ 23 ]。}

1995年、アルドゥエンゴの研究グループはジヒドロイミダゾール-2-イリデンのカルベン誘導体を得て、安定性が共役イミダゾール骨格の芳香族性から生じるものではないことを証明した。^{[ 24 ]} 翌年、最初の非環状安定カルベンは、安定性が環状性さえ必要としないことを示した。^{[ 25 ]}

水素化された^{[ 26 ] [ 27 ]}および非環状^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}カルベンの非立体障害誘導体は時間とともに二量体化するが、電子構造の解明に重要な鍵となることがわかった。非環状カルベンは柔軟性があり、カルベン原子への結合は回転を許容する。しかし、化合物の結合回転は阻害されているように見え、実際に二重結合性を持っていることを示唆している。^{[ 25 ]}

その後の研究は、イリドを安定化させる ヘテロ原子の種類を増やすことに焦点を当ててきた。

ほとんどの安定なカルベンは、2 つの側方の窒素中心によって安定化されています。例外としては、アミノチオカルベンとアミノオキシカルベン ( 3D ) などがあります... ^{[ 30 ] [ 31 ]}

...そして室温で安定なビス(ジイソプロピルアミノ)シクロプロペニリデン。アミンはビニル構造によって結合している。^{[ 32 ]} 2000年、ベルトランはカルベン原子に隣接するヘテロ原子が1つだけの適度に安定な(アミノ)(アリール)カルベンを得た。^{[ 33 ] [ 34 ]}

^{環状[ 24 ] [ 26 ] [ 37 ]}と非環状^{[ 25 ] [ 28 ] [ 29 ]}の両方のビスアゾメチンイリドが広く知られている。

このようなカルベンの中で最も有用なのは芳香族カルベンである。そうでない場合、ワンズリック平衡は二量化を優先するからである。^{[ 26 ] [ 28 ]}

通常、これらはイミダゾール環またはトリアゾール環から誘導されます。ただし、安定なN-複素環カルベンの1つはボラジンから誘導されます: ^{[ 38 ]}

イミダゾール-2-イリデン

イミダゾール-2-イリデンは、窒素原子上にアルキル基、アリール基、^{[ 23 ]}アルコキシ基、アルキルアミノ基、アルキルホスフィノ基、さらにはキラル置換基を有することが知られている。 ^{[ 39 ]}

1,3-ジメシチル-4,5-ジクロロイミダゾール-2-イリデンは、最初の空気安定カルベンであり、「骨格」に2つの塩素原子を持つ（ 3D）：^{[ 20 ]}

塩素原子は、σ系を介した 誘導効果によって、カルベン炭素／イリド炭素上の電子密度を低下させると考えられる。

イミダゾリリデンは二量化に対して安定であるため、分子は複数のイミダゾール-2-イリデン基を含むことができる。^{[ 40 ] [ 41 ]}

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トリアゾール-5-イリデン

原則として、トリアゾール-5-イリデンは、 1,2,3-トリアゾール-5-イリデンと1,2,4-トリアゾール-5-イリデンの2つの異性体ファミリーに分けられる。

このようなカルベンはほとんど報告されていないが、トリフェニル分子は市販されている。

カルベンに隣接する非窒素原子は、炭素（環状モノアミノカルベン）、 酸素^{[ 31 ]}、硫黄^{[ 30 ] [ 31 ]} 、またはリン^{[ 16 ] [ 17 ]}である可能性がある。

酸素と硫黄は二価であるため、カルベン中心の立体保護は特に限定的である。

主張されているイソチアゾールカルベン（2b）^{[ 42 ]}は安定ではなく、代わりにβ-チオラクタムに転位する：^{[ 43 ] [ 44 ]}

カルベン類のもう一つのファミリーは、シクロプロペニリデンコア、すなわちカルベン原子に隣接する2つの原子間に二重結合を持つ3つの炭素環に基づいている。このファミリーの例として、ビス(ジイソプロピルアミノ)シクロプロペニリデンが挙げられる。^{[ 32 ]}

ベルトランの持続性カルベンでは、不飽和炭素はリンとケイ素に結合している。^{[ 45 ]}しかし、これらの化合物はアルキン的な性質を示し、超原子価ホスファアルキンである可能性もある。これらの赤い油の正確な性質は、2006年の時点では不明のままであった。[ ^{17 ]​}

持続性カルベンは一重項状態で存在し、三重項状態に強制されると二量体化する傾向がある。しかしながら、富岡秀雄らは2001年に電子非局在化を利用して比較的安定な三重項カルベン（ビス（9-アントリル）カルベン）を生成した。これは19分という異常に長い半減期を持つ。^{[ 46 ] [ 47 ]} 金属（Pb、Pd、Pt）置換三重項カルベン（メタラカルベン）は低温でのみ安定である。[10][11]

2006年に同じグループによって半減期40分の三重項カルベンが報告された。このカルベンは、ベンゼン中でジアゾメタン前駆体を300 nmの光で光化学的に分解し、窒素ガスを放出することによって生成される。^{[ 48 ]} 

酸素（三重項ジラジカル）に曝されると、このカルベンは対応するベンゾフェノンに変換される。シクロヘキサ-1,4-ジエンによって捕捉されると、ジフェニルメタン化合物が生成される。

他のカルベンと同様に、この種には、カルベンを遮蔽し、1,1,2,2-テトラ(フェニル)アルケンへの二量化プロセスを防止または遅延させる、大きくかさ高い置換基、すなわち臭素とフェニル環上のトリフルオロメチル基が含まれている。コンピュータシミュレーションに基づくと、二価炭素原子からその隣接原子までの距離は138ピコメートルで、結合角は158.8°であるとされている。フェニル基の平面は互いにほぼ直角である（二面角は85.7°）。

メソイオンカルベン（MIC）はN-複素環カルベン（NHC）と類似していますが、図示されたカルベンとの正準共鳴構造は、追加の電荷を加えなければ描くことができません。メソイオンカルベンは、異常N-複素環カルベン（aNHC）または遠隔N-複素環カルベン（rNHC）とも呼ばれます。

イミダゾール-2-イリデンは強い塩基であり、ジメチルスルホキシド（DMSO）中での共役pKa _≈ 24 である。 ^{[ 52 ]} 

いくつかのNHCファミリーの共役pKa_値は水溶液中で調べられている。トリアゾリウムイオンのpKa_値は16.5～17.8の範囲にあり^{[ 53 ]} 、関連するイミダゾリウムイオンよりも約3 pKa_単位酸性である^{[ 54 ]} 。 これとは逆に、ジアミノカルベンはDMSO溶媒を脱プロトン化し、生成したアニオンが生成したアミジニウム塩と反応する。

これらの分子は、おそらく適度に求核性も有している。イミダゾール-2-イリデンと1-ブロモヘキサンの反応では、2-置換付加物が90%生成し、対応するアルケンはわずか10%しか生成しなかった。

チアゾール由来の安定なカルベンは、生物系におけるチアミンの作用、およびその生体模倣的子孫であるステッター反応の根底にある。^{[ 55 ]}

かつては、安定なカルベンは、いわゆるワンズリック平衡を介して可逆的に二量化すると考えられていた。^{[ 27 ]} 触媒を用いない反応は通常遅いが、^{[ 56 ]}おそらく、直接的な平面二量化（A）には、まず高い一重項-三重項障壁を越える必要があるためであろう。好ましい経路（B）では、空の炭素p軌道が近くのカルベン孤立電子対を攻撃する。^{[ 57 ]}

ホルムアミジニウム塩を生成するプロトンは、他のルイス酸と同様に反応を触媒する^{[ 27 ]}。^{[ 57 ]}

しかしながら、イミダゾール-2-イリデンとトリアゾール-5-イリデンは熱力学的に安定であり、比較的厳しい条件下でも二量化しない。これらは水や空気のない溶液中で何年も保存されてきた。これはおそらく、これらのカルベンの芳香族性によるものであり、二量化によってその性質が失われるためである。^{[ 26 ] [ 28 ]}

ChenとTatonは、十分に短いテザー（プロピレンなど、ただしブチレンではない）が芳香族安定カルベンを二量化させることができることを実証した。^{[ 58 ]}

ジカルベンの場合、カルベンの非共有電子対は互いに接近せざるを得なくなる。非共有電子対間の静電反発を避けるため、軌道は混成して結合を形成する。

イミダゾール-2-イリデン、トリアゾール-5-イリデン（そして程度は低いがジアミノカルベン）は、典型元素、遷移金属、アクチノイドからアルカリ金属、ランタノイドに至るまで、実に多様な元素と配位結合を形成する。元素周期表を見れば、これまでに合成された錯体の種類がおおよそわかるだろう。

伝説

  元素が既知のカルベン錯体

  元素が既知のカルベン錯体は存在しない

多くの場合、錯体は単結晶X線結晶構造解析によって同定されている。^{[ 37 ] [ 59 ] [ 60 ]}安定なカルベンは、有機ホスフィンと ほぼ同質である。カルベンの孤立電子対は優れたσ供与体であり、隣接する安定化ヘテロ原子はπ系にπ逆結合を阻害するような電子を豊富に供給する。Enders ^{[ 61 ]}とHermann ^{[ 59 ] [ 62 ] [ 63 ]}は、いくつかの触媒サイクルにおいて、安定なカルベンと有機ホスフィンの間に配位子のほぼ等価性があることを示した。カルベンは近くの金属をそれほど活性化しないが、結果として生じる錯体ははるかに頑丈である。グラブスは、オレフィンメタセシス触媒RuCl ₂ (PCy 3 ) 2 CHPhにおいてホスフィン配位子(PCy ₃ )_をイミダゾール-2-イリデンに置換し_、環化メタセシスの増加と「驚くべき空気および水安定性」を示したと報告している。^{[ 64 ]}

2つおよび3つのカルベン部分を含む分子が、潜在的な二座および三座カルベン配位子として調製されている。^{[ 40 ] [ 41 ]}

有用な物理的特性の一つは、^13C - NMRスペクトルにおけるカルベン炭素原子の診断的な化学シフトである。通常、このピークは200～300 ppmの範囲にあり、^13C - NMRスペクトルではこの範囲に他のピークはほとんど現れない。例えば、ビス(イソプロピル)イミダゾリジニリデンは238  ppmにピークを示す。

イミダゾール系カルベンは一般的に、カルベン炭素の診断的な^13C NMR 化学シフト値が210～230 ppmである： ^{[ 69 ]} 

トリアゾール系カルベンは210～220  ppmのシフトを示し、非芳香族ジアミノカルベンは230～270  ppmのシフトを示します（図を 参照）。非環状モノアミノカルベンは、カルベン炭素のシフトが250～300 ppmであり、他のどの表のカルベンよりも低磁場側にシフトします。

金属中心に配位すると、錯体断片のルイス酸性度に応じて、^{13 C カルベン共鳴は通常高磁場側にシフトします。この観察に基づいて、Huynh}らは、トランスパラジウム(II)-カルベン錯体の¹³ C NMR 分析によって配位子ドナー強度を決定する新しい方法論を開発しました。13 ^C標識 N-複素環カルベン配位子の使用により、トランス効果によりトランス-シス異性化を起こす混合カルベン-ホスフィン錯体の研究も可能になります。^{[ 70 ]}

カルベン前​​駆体塩を強塩基で脱プロトン化すると、ほぼすべての安定なカルベンが確実に生成される。

イミダゾール-2-イリデン類およびジヒドロイミダゾール-2-イリデン類（IMesなど）は、それぞれのイミダゾリウム塩およびイミダゾリニウム塩の脱プロトン化によって調製された。非環状カルベン類^{[ 25 ] [ 28 ]}およびテトラヒドロピリミジニル系カルベン類^{[ 37 ]}は、強均一塩基を用いた脱プロトン化によって調製された。

しかし、反応は塩基の適切な選択に依存します。イミダゾリウム塩前駆体は求核付加に対して安定ですが、他の非芳香族塩（すなわちホルムアミジニウム塩）はそうではありません。^{[ 75 ]}これらの場合、その場 で生成されるか、他の試薬（BuLi 中の LiOH など）に不純物として存在するかにかかわらず、強力で立体障害のない求核剤は避ける必要があります。

アルキルリチウムは反応の塩基としては信頼できない。^{[ 19 ]}なぜなら、アルキルリチウムは求核性が高すぎて、しばしば水素化物還元剤として作用するからである。

原理的には、水素化ナトリウムまたは水素化カリウム^{[ 24 ] [ 30 ]}がこれらの前駆体塩の脱プロトン化に理想的な塩基となるが、実際には塩の溶解速度が遅すぎて効果的な反応が起こらない。DMSO またはt -BuOHは可溶性のtert-ブトキシドまたはジメチルアニオン塩基を介して反応を触媒する^{[ 19 ] [ 23 ]}が、これらの化合物は非芳香族カルベンに対して求核性が高すぎる。イミダゾール系カルベンについては、液体アンモニア/ THF混合物中で−40 ℃で水素化ナトリウムまたは水素化カリウムによる脱プロトン化が報告されている^{[ 39 ] 。また、ArduengoらはNaHを用いてジヒドロイミダゾール-2-イリデンを調製することに成功した[ 30 ]}。しかし、この方法はジアミノカルベンの調製には適用されていない。 

場合によっては、tert-ブトキシカリウムを直接使用することができます。^{[ 23 ]}

ジイソプロピルアミド（LDA）やテトラメチルピペリジド（LiTMP）^{[ 25 ] [ 28 ]}などのリチウムアミドは、 LiOH不純物が多すぎなければ、一般的にあらゆる種類の塩の脱プロトン化によく機能します。金属ヘキサメチルジシラジド^{[ 37 ]}は、立体障害のないホルムアミジニウム塩を除いて、ほとんどすべての塩をきれいに脱プロトン化します。立体障害のないホルムアミジニウム塩では、この塩基は求核剤として作用し、トリアミノメタン付加物を生成する可能性があります。

高温で安定なカルベンについては、チオ尿素を溶融カリウムでTHF中で脱硫するという 珍しい方法がある。^{[ 26 ] [ 76 ]}

この反応が成功する要因の一つは、副生成物である硫化カリウムが溶媒に不溶性であることである。

尿素をフルオレン由来のカルベンで脱酸素化してテトラメチルジアミノカルベンとフルオレノンを得る例も報告されている：^{[ 77 ]}

ビス(トリメチルシリル)水銀(CH ₃ ) ₃ Si-Hg-Si(CH ₃ ) _{3 は、クロロイ}ミニウム塩およびクロロアミジニウム塩と反応して、金属を含まないカルベンと単体水銀を生成する。^{[ 78 ]}例えば、

(CH ₃ ) ₃ Si−Hg−Si(CH ₃ ) ₃ + R ₂ N=C(Cl)− NR ⁺ ₂ Cl ⁻ → R ₂ N−C−NR ₂ + Hg _(l) + 2(CH ₃ ) ₃ SiCl

真空熱分解は、中性揮発性副生成物、すなわちメタノールまたはクロロホルムを除去することで、ジヒドロイミダゾールおよびトリアゾールをベースとしたカルベンの調製に用いられてきた。歴史的には、付加体Aの真空熱分解によるクロロホルムの除去は、ジヒドロイミダゾール-2-イリデンの調製を試みた初期のWanzlick ^{[ 8 ]}によって用いられたが、この方法は広く用いられていない。Enders研究室は、付加体Bの真空熱分解を用いてトリアゾール-5-イリデンを生成した: ^{[ 49 ]}

水素化カリウムから調製した安定なカルベンは、乾燥したセライトパッドを通して濾過することで、反応系から過剰な水素化カリウム（および生成した塩）を除去できる。比較的小規模な反応では、安定なカルベンを含む懸濁液を静置し、上澄み液を乾燥したメンブレンシリンジフィルターに通すことで濾過できる。

安定なカルベンの再結晶は困難である。なぜなら、安定なカルベンは非極性溶媒に容易に溶解し、極性溶媒は酸性度が高すぎるため不適切だからである。

無酸素昇華法は効果的に精製でき、X線分析に適した単結晶を得ることも可能です。しかし、リチウム などの金属イオンとの強い錯形成は、ほとんどの場合、昇華を阻害します。また、残留カルベンは60 ℃ 以上で分解するため、このプロセスは高真空下で行う必要があります。