烯烃是重要的转化前体，其不同的几何构型常常在宏观上表现出不同的功能特性。尽管人们已发展了许多构建烯烃的策略，其中部分还成为教科书知识（如Wittig、Horner–Wadsworth–Emmons、Julia、Peterson烯化及Birch还原等），但反应的E/Z选择性仍旧需要改善。另外，E和Z型异构体的性质通常相近，其混合物难以分离，发展高选择性构建单一构型烯烃的方法十分重要。烯烃复分解反应可以在过渡金属催化剂的作用下选择性地获得Z型烯烃，而制备相应的E型异构体仅在某些卤化物或低官能化化合物作为底物的情况下才能获得高选择性。除此之外，通过C-C键裂解开环的策略可以选择性得到E构型的烯烃。烯丙基化合物发生双键迁移也是一种潜在有效的策略，但通过传统的合成方法很难实现σ-H的异面迁移，因而无法实现以上过程。此前人们实现了碱参与的烯丙基双键迁移反应，反应温度约200 ℃，并可在工业规模下完成，但所得产物的E/Z比例中等，反应与多种敏感的官能团不兼容，还会产生化学计量的副产物。

图1. E型烯烃的广泛分布及基于异构化的制备方法。图片来源：Science

金属催化过程可以克服这些缺点，并且还可能实现远程官能化。过去的研究主要集中于两种双键转换的机制，绝大多数转化借助金属氢化物进行（图1A），反应通过M-H键插入、β-H消除等实现烯烃异构化。另一种机制涉及1,3-加成的π-烯丙基中间体（图1B），如茂基锆（Bu₂ZrCp₂）和Grotjahn高活性Ru催化剂参与的异构化，其中配体可以作为碱，反应能以优异的选择性获得E构型的烯烃。近期，德国亚琛工业大学的Franziska Schoenebeck教授课题组报道了一种无需还原剂、廉价金属Ni催化烯丙基化合物的1,3-H迁移反应，由此实现了烯烃的异构化。反应以自由基机理进行，能在室温下高选择性形成E构型的烯烃，不仅如此，还能通过链行走过程实现远程双键迁移。相关工作发表在Science 上。

Ru的地球丰度只有10^-7%，成本相当高，相比之下，Ni的丰度是Ru的约90000倍，更为廉价，并可引发双键迁移。从反应机理来看，尽可能少地使用添加剂，并减少反应过程中形成的中间体数量可以更好地控制双键迁移过程的E/Z选择性。鉴于自由基物种不受Woodward-Hoffmann轨道对称性限制的影响，自由基诱导的1,3-H迁移过程可能为双键迁移的E/Z选择性问题提供解决方案。作者设想，底物通过π配位与Ni(I)自由基物种结合有可能实现以上过程。

作者研究了氧化态为+1价的不同二聚体金属Ni配合物形成开壳层单体的能力。结果表明，对于某些具有合适配体的Ni配合物，如双核氮杂环卡宾（NHC）配位的Ni(I)二聚体[Ni(µ-Cl)IPr]₂（1）（图2），其与烯烃及溶剂混合可以形成开壳层的Ni配合物。1与4-甲氧基烯丙基苯2混合可以选择性地生成相应的E构型烯烃3。他们通过对不同的反应条件进行考察，发现在室温下以氯苯作为容易，3小时内就能定量地生成所需的产物。

图2. Ni(I)催化的1,3-H迁移。图片来源：Science

作者将Ni(I)催化剂1与3,4-二甲氧基烯丙基苯4、氘标记的5-d₁混合，无论在氘代还是非氘代溶剂中都没有观察到同位素交换现象，反应形成6和7-d₁，说明溶剂并不是氢/氘交换的来源，1,3-H迁移完全在分子内进行。作者进一步利用核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）研究了反应过程，发现反应中明显存在自由基物种。他们又设计了自由基钟实验，将催化剂1与顺式二苯基环丙基烯烃8混合，NMR分析表明体系中生成了反式与顺式烯烃的混合物，由此说明自由基中间体的存在。

作者转而通过计算发现位阻较大的Ni(I)二聚体无法与烯烃直接反应。该二聚体与底物及溶剂混合，均裂形成底物-Ni(I)单体配合物，由此产生具有自由基特征的金属-底物复合物（图2C）。随后底物中的H原子转移到Ni中心，并迅速迁移回底物。H原子迁移时Ni不会发生移动。计算还表明形成E构型的烯烃的途径（ΔΔG^‡ = 6.6 kcal/mol）优于Z构型，与E型选择性一致。由于反应中没有生成稳定的中间体，因此没有足够的时间进行H/D交换。这种机理与发展成熟的金属氢化物参与的双键迁移过程截然不同。

讨论了以上反应机制后，作者开始探究了这一过程的普适性。这种烯烃异构化反应底物范围广、反应时间短、选择性好（图3）。反应在室温下能成功地将甲氧基芳香烃衍生的茴香脑、丁香酚和黄樟素的烯基异构化，以优异的产率和E型选择性（>98：2）得到相应的反式产物（3、6、9至11），在工业生产中具有重要的应用价值。该反应对带有吸电子基团的底物如酮或酯（14，15）、三氟甲基（16）都能够兼容。典型贵金属催化中可发生反应的官能团如腈（20）、溴（13）或硼酸酯（23）修饰的底物也可顺利参与反应。

图3. 1,3-H迁移的底物适用范围。图片来源：Science

反应以13作为底物，在1 g量级规模下同样具有良好的选择性和产率。反应在室温下，以5 mol%的催化剂负载量同样在3小时内可以定量转化，E型选择性不受明显影响。液体底物可以在无溶剂条件下进行。

对于双取代烯烃和环烯烃，反应能有效地实现1,1-二取代烯烃（27）的异构化，各种官能化的环烯烃衍生物（Cl、OMe、OTf）或杂环烯烃（34）都具有良好的产率和区域选择性（28、29、32-34）。该反应同样可实现多个C单位的双键迁移。作者将催化剂1与不同的底物混合（图4），室温下3小时内顺利发生双键迁移，并具有良好的E型选择性。对于二、三、四个碳单位（36-38、40）的底物，反应能以优异的产率得得苄基烯烃。但当移动大于四个碳单位（41、42或非芳香驱动力的39）时，体系观察到大量的内双键异构体。

图4. 链行走反应。图片来源：Science

总结

德国亚琛工业大学的Franziska Schoenebeck教授课题组发展了一种经由自由基过程的Ni(I)催化烯丙基化合物的烯烃异构化反应，由此高选择性地得到E构型的烯烃。这种机理与以往报道的金属氢化物参与的双键迁移过程截然不同。该方法操作简单、易于纯化、条件温和、反应时间短，具有良好的官能团兼容性。反应可实现克量级规模的合成，还能通过链行走过程实现远程的双键迁移，在实验室合成和工业生产中都具有重要的应用价值。