导向基团辅助过渡金属催化间位碳氢官能化研究进展

碳氢键活化是目前非常活跃的研究领域之一,然而实现碳氢键位点选择性活化是该领域面临的挑战之一.以辅助基团作为导向基,实现碳氢键间位活化引起了众多学者的极大关注,经常采用的策略包括模板导向、降冰片烯介导和配体的次级效应.对近年来通过导向基团进行的间位碳氢键活化的研究进行了详细的综述,总结了目前存在的问题,并对今后的发展方向进行了展望.     

N-苯氧基乙酰胺导向的碳氢键官能团化反应研究进展

碳氢键活化反应因具有原子经济性和步骤简捷性的特点,近年来成为有机化学研究的热点领域之一.在传统的碳氢键活化反应中,通常需要加入等物质的量的氧化剂来实现催化剂的再生,使催化循环顺利地发生.而N-苯氧基乙酰胺作为一种新型的含有氧化型导向基的反应底物,可以有效地避免等物质的量外加氧化剂的使用,使碳氢键活化在氧化还原中性的条件下进行.综述了N-苯氧基乙酰胺在有机合成领域特别是碳氢键活化反应中的最新研究进展,并对反应的机理进行了讨论.     

非共价作用在过渡金属催化的选择性碳氢键活化中的应用

过渡金属催化的碳氢键活化是合成有机化合物最有效的工具之一，基于底物本身官能团或者共价键连接的导向基策略是目前实现碳氢键选择性活化的主要手段.非共价作用在分子生物学、超分子化学、材料科学及药物研发中具有重要意义，近年来，非共价作用也被应用于过渡金属催化的惰性碳氢键的选择性活化.本文总结了非共价作用在选择性碳氢键活化领域的研究进展，并按照非共价键的作用类型，将其分为氢键作用、离子对作用、路易斯酸碱对作用和静电作用等，探讨了催化体系中心金属、配体和底物间相互作用力的模式，并展望了未来研究工作的方向.     

远程选择性碳氢活化的近期进展:模板与配体设计

碳氢键广泛存在于有机分子中,一个分子中往往存在着多个反应性相近的碳氢键,因此位点选择性地进行碳氢活化官能团化是该领域的一个研究重点.利用导向基导向的邻位碳氢活化已经有大量的研究和报道.相比之下,由于缺少方法来控制反应位点,远程选择性碳氢活化很少被报道.大多数关于间位碳氢活化的例子是利用底物苯环上的电性或取代基的立体位阻来实现间位选择性官能团化,但这也限制了反应的底物范围和种类.如何能够克服电性和立体位阻的影响,专一性地定位远程碳氢键活化是很有挑战性的课题.余金权课题组开创性地提出了U型导向模板的概念,借助模板和氨基酸类配体的促进作用,可以实现多种不同底物的间位选择性碳氢活化反应.本文对近期的关于模板设计和配体发展的两例报道进行了介绍和评论.2014年,余金权课题组开发了一类磺酰模板,用于实现吲哚啉、吲哚等的间位碳氢活化.在筛选不同模板时,发现有一例模板可以促进吲哚啉的对位碳氢烯基化反应,提高了反应的收率和选择性.这个例子表明,通过合理的模板设计可以实现对位选择性碳氢活化.2015年,Maiti小组设计了一类更大环的联苯硅醚类模板,在氨基酸配体的协助下,实现了钯催化的甲苯类底物的对位选择性碳氢活化,可以进行烯基化和乙酰氧化反应.令人惊奇的是,拥挤的邻间位全取代甲苯的对位碳氢烯基化也可以较高收率得到目标产物.对于对位选择性碳氢活化,甲苯类底物的难度大于吲哚啉,但更难的是,缺电子官能团取代的苯的对位选择性碳氢活化,如苯甲酸类化合物.类似于Maiti设计的模板可能是解决该类难题的一条途径.近期,Kanai小组报道了另一策略来实现远程选择性碳氢活化:具有次级作用力的双官能配体.Kanai等选择了铱催化碳氢硼化反应作为测试他们设计概念的模型反应,因为该反应中一般使用联吡啶类配体,且反应条件温和.在温和条件下,氢键较易形成,Kanai等将具有较强成氢键能力的脲结构与联吡啶配位巧妙地结合在一个配体上,成功地实现了多种具有酰氧官能团取代的芳香化合物的远程碳氢硼化反应(主要为苯环的间位碳氢活化).与没有脲结构辅助的联吡啶配体相比,Kanai的配体明显提高了位点选择性.该方法的一个缺点是次级作用力较弱,在较高温的反应条件下不易形成.但该方法仍然是远程碳氢活化的一个进步,具有很好的借鉴意义.虽然远程选择性碳氢活化特别是在模板和配体设计方面已经取得了一些进展.但是该领域仍然面临很多挑战:(1)已有方法的反应条件较为局限,模板或配体种类较少且复杂,还有待开发;(2)适用的底物类型仍然较少,特别是对位碳氢活化的底物类型;(3)远程选择性碳氢活化的不同官能团化反应还有待开发;(4)仍然没有有效的方法来实现烷基类底物的远程选择性sp3碳氢活化,这仍然是一个巨大的挑战.     

远程选择性碳氢活化的近期进展:模板与配体设计（英文）

碳氢键广泛存在于有机分子中,一个分子中往往存在着多个反应性相近的碳氢键,因此位点选择性地进行碳氢活化官能团化是该领域的一个研究重点.利用导向基导向的邻位碳氢活化已经有大量的研究和报道.相比之下,由于缺少方法来控制反应位点,远程选择性碳氢活化很少被报道.大多数关于间位碳氢活化的例子是利用底物苯环上的电性或取代基的立体位阻来实现间位选择性官能团化,但这也限制了反应的底物范围和种类.如何能够克服电性和立体位阻的影响,专一性地定位远程碳氢键活化是很有挑战性的课题.余金权课题组开创性地提出了U型导向模板的概念,借助模板和氨基酸类配体的促进作用,可以实现多种不同底物的间位选择性碳氢活化反应.本文对近期的关于模板设计和配体发展的两例报道进行了介绍和评论.2014年,余金权课题组开发了一类磺酰模板,用于实现吲哚啉、吲哚等的间位碳氢活化.在筛选不同模板时,发现有一例模板可以促进吲哚啉的对位碳氢烯基化反应,提高了反应的收率和选择性.这个例子表明,通过合理的模板设计可以实现对位选择性碳氢活化.2015年,Maiti小组设计了一类更大环的联苯硅醚类模板,在氨基酸配体的协助下,实现了钯催化的甲苯类底物的对位选择性碳氢活化,可以进行烯基化和乙酰氧化反应.令人惊奇的是,拥挤的邻间位全取代甲苯的对位碳氢烯基化也可以较高收率得到目标产物.对于对位选择性碳氢活化,甲苯类底物的难度大于吲哚啉,但更难的是,缺电子官能团取代的苯的对位选择性碳氢活化,如苯甲酸类化合物.类似于Maiti设计的模板可能是解决该类难题的一条途径.近期,Kanai小组报道了另一策略来实现远程选择性碳氢活化:具有次级作用力的双官能配体.Kanai等选择了铱催化碳氢硼化反应作为测试他们设计概念的模型反应,因为该反应中一般使用联吡啶类配体,且反应条件温和.在温和条件下,氢键较易形成,Kanai等将具有较强成氢键能力的脲结构与联吡啶配位巧妙地结合在一个配体上,成功地实现了多种具有酰氧官能团取代的芳香化合物的远程碳氢硼化反应(主要为苯环的间位碳氢活化).与没有脲结构辅助的联吡啶配体相比,Kanai的配体明显提高了位点选择性.该方法的一个缺点是次级作用力较弱,在较高温的反应条件下不易形成.但该方法仍然是远程碳氢活化的一个进步,具有很好的借鉴意义.虽然远程选择性碳氢活化特别是在模板和配体设计方面己经取得了一些进展.但是该领域仍然面临很多挑战:(1)已有方法的反应条件较为局限,模板或配体种类较少且复杂,还有待开发;(2)适用的底物类型仍然较少,特别是对位碳氢活化的底物类型;(3)远程选择性碳氢活化的不同官能团化反应还有待开发;(4)仍然没有有效的方法来实现烷基类底物的远程选择性sp~3碳氢活化,这仍然是一个巨大的挑战.     

导向基团辅助的C—H键功能化

过渡金属催化的碳氢活化是方法学研究的热门领域。近些年,通过引入辅助基团作为导向基对化合物进行C—H键功能化,吸引了研究者们极大的关注。借助导向基,不仅可以大大提高反应的区域和立体选择性,更能提高催化反应的效率。本文综述了近三年内,通过羧基、吡啶等含氮、氧等导向基团进行导向基辅助的碳氢键活化,构建C—C键、C—O键以及C—N键的方法,重点讨论了催化剂的选择和反应机理的研究,同时也总结了目前所存在的问题和局限性,并对今后的发展方向作了展望。     

多功能氧酰胺导向基在碳氢键活化反应中的研究进展

近年来,通过导向基团进行碳氢键活化构建C―C键及C―X键的方法得到了快速发展,已成为有机合成的重要手段之一。在碳氢键活化中,作为多功能导向基团之一的氧酰胺,由于其独特的性质,引起了科学家们的广泛关注。氧酰胺中O―N键的氧化性替代外部氧化剂,使反应处于氧化还原中性。加入化学计量的外部氧化剂,通常可以使O―N键得到保留。在不同的溶剂中,能够表现出不同的区域选择性和立体选择性;皆体现了氧酰胺作为导向基团的独特之处。本文综述了N-苯氧基酰胺作为底物进行碳氢键活化的研究进展,同时根据现有的实验和理论研究结果对不同反应的机理进行了探讨。     

双金属促进的均相碳氢键活化反应（英文）

近年来,过渡金属催化的碳氢键活化反应得到了快速的发展,已成为构建碳碳键及碳杂原子键的重要手段之一。利用双金属之间的协同效应,发展的双金属促进的碳氢键活化反应也引起了广泛的关注,并在均相催化领域里取得了良好的应用。双金属促进的碳氢键活化反应与单金属催化的碳氢键活化反应相比,能够表现出不同的化学选择性、区域选择性以及立体选择性,体现了其独特之处。本综述总结了各种双金属促进的碳氢键活化体系,同时依据实验和理论研究结果对可能的反应机理进行了探讨。     

三价钴催化下N–S键辅助的非氧化条件下经碳氢活化合成异喹啉（英文）

异喹啉是非常重要的杂环化合物,广泛应用于有机合成中,也是构成药物和材料分子的核心骨架.很多异喹啉类的生物碱都由异喹啉基本骨架构成,它们都有一定药理活性和生物活性,包括抗真菌、抗癌、抗心律失常、阵痛麻醉和降血压等功效.迄今已知的含异喹啉骨架的生物碱超过1000种,是生物碱中最多的一类.传统的合成异喹啉的方法需要官能化的原料和强酸,反应条件比较苛刻,合成步骤繁琐.例如Larock课题组利用钯催化将邻溴官能化的亚胺与炔烃环化偶联,合成了一系列异喹啉化合物.而过渡金属催化合成异喹啉是一种能够有效合成多种取代基异喹啉的方法.在过去的几十年中,通过碳氢活化策略合成杂环化合物的方法得到迅猛发展,从而使得大量的芳基化合物都能作为反应的起始原料.尤其是铑、铱、钯、钌等过渡金属都能催化芳烃的碳氢活化,从而合成异喹啉化合物.Fagnou课题组最早报道了氧化条件下利用三价铑催化剂经碳氢键活化与炔烃偶联合成异喹啉的方法.随后,众多研究组利用氧化型导向基策略在无外加氧化剂条件下高效、高选择性地合成了异喹啉.除了利用三价铑催化剂之外,利用二价钌催化剂通过碳氢活化策略也能实现类似反应.但是,这些反应体系都必须使用铑和钌等贵金属催化剂,极大地限制了该合成异喹啉方法的应用前景.近年来,数个研究组将地球上储量丰富、便宜有效的钴络合物作为催化剂应用到芳烃的碳氢键活化反应中,在简单的反应条件下合成了各种杂环化合物.对于一些反应,三价钴催化与三价铑催化能形成互补.最近,Kanai,Ackermann和Sundararaju几乎同时报道了三价钴催化肟谜的碳氢键活化,并在无外加氧化剂条件下实现了其与炔烃的偶联反应,高效地合成了异喹啉,在该类反应中以氮–氧键断裂作为内部氧化剂.但是在钴催化条件下氧化性的氮–硫键作为内部氧化剂辅助碳氢键活化的反应尚无报道.本课题组最近报道了芳基酮的N-亚磺酰亚胺与烯烃和胺化试剂的偶联反应,经N–S键断裂,高效合成了喹唑啉.本文利用三价钴催化剂在无外加氧化剂条件下实现了芳基酮N-亚磺酰亚胺与炔烃的偶联,反应经历了碳氢键活化和氮硫键断裂得到异喹啉.此反应对端炔和内炔底物均适用.为了初步了解反应机理,我们利用分子内竞争的方法进行了动力学同位素效应测定,结果表明碳氢键断裂过程可能是反应的决速步骤.结合文献结果,提出了可能的反应机理.     

钌催化间位磺化反应机理的DFT研究

导向过渡金属催化反应是实现区域选择性芳环碳氢活化/衍生化的一种重要手段. 本文使用DFT理论(M06//B3LYP)对Frost小组的钌催化2-芳基吡啶间位磺化反应机理进行了研究. 通过计算, 我们发现该机理主要包括邻位C—H活化、亲电取代、还原消除及催化剂再生四个步骤. 其中导向邻位C—H活化是速率决定步, 亲电取代为区域选择决定步. Ru与导向基邻位碳原子成键使苯环电子密度分布发生变化, 同时与位阻作用相结合引导亲电取代发生在Ru—C键的对位(即导向基间位). 在此基础上, 我们还研究了K₂CO₃和溶剂极性对反应的影响.     

水相催化碳氢活化反应

碳氢键的功能化反应是近年来有机化学的研究热点之一,选择性碳氢活化是其研究难点.在此类反应中,一般以有机溶剂为反应介质,而利用廉价、环境友好的水作为反应溶剂符合当前所倡导的"绿色"化学和低碳可持续发展的理念.综述了近年来水相催化的碳氢活化反应,包括含有sp-,sp~2-,sp~3-杂化的C—H键的功能化反应.     

基于导向策略的钯催化间位C(sp2)-H活化反应的研究进展

近些年来,基于导向策略的Pd催化间位C(sp²)-H键活化反应取得了重要进展.人们通过远程导向策略,针对不同底物发展了多种U型导向基,在一些单保护氨基酸配体(MPAA)的协助下,实现了多种底物的烯基化、芳基化和乙酰氧基化反应.最近,人们又将Pd催化导向邻位C-H键活化和Catellani反应相结合,使用结构简单的导向基实现了高选择性的间位C-H键的烷基化和芳基化反应.这两种策略均可用于一些生物活性分子或者药物分子前体的后期修饰与合成当中.本文将针对这一领域的最新研究进展做一概述.     

Pd催化的配体导向C—H键乙酰化反应的理论研究

Pd催化的配体导向C-H键官能化反应已经成为有机化学中一种重要的合成手段. 我们用B3PW91密度泛函方法研究了Pd催化的配体导向C-H键乙酰化反应中催化剂和底物配合步骤以及C-H键活化步骤中的热力学性质. 研究发现, 具有不同导向基团的反应物之间竞争反应的选择性取决于导向基团与Pd(OAc)₂的配合步骤, 配合反应稳定常数大的较容易生成乙酰化的产物. 另一方面, 反应的选择性与C-H键的活化步骤无关, 并且与导向基团的配位原子的气相碱性、原子上的电荷密度以及最高占据轨道能量都没有相关性.     

降冰片烯促进的钯催化多米诺Catellani反应研究进展

Catellani反应是在钯和降冰片烯的共同作用下对芳环上非活化的远程碳氢键进行直接官能化的一类多米诺反应.通过对芳基卤素邻位碳氢键的选择性活化和碳卤键本位的直接偶联取代,Catellani反应能够利用简单易得的芳香卤代烃作为起始原料,在一个反应里面同时构建多个新的化学键,合成结构比较复杂的含多取代基的芳(杂)环衍生物.分类型综述了Catellani反应在最近几年来取得的重要研究进展.     

三价钴催化下N-S键辅助的非氧化条件下经碳氢活化合成异喹啉

异喹啉是非常重要的杂环化合物,广泛应用于有机合成中,也是构成药物和材料分子的核心骨架。很多异喹啉类的生物碱都由异喹啉基本骨架构成,它们都有一定药理活性和生物活性,包括抗真菌、抗癌、抗心律失常、阵痛麻醉和降血压等功效。迄今已知的含异喹啉骨架的生物碱超过1000种,是生物碱中最多的一类。传统的合成异喹啉的方法需要官能化的原料和强酸,反应条件比较苛刻,合成步骤繁琐。例如Larock课题组利用钯催化将邻溴官能化的亚胺与炔烃环化偶联,合成了一系列异喹啉化合物。而过渡金属催化合成异喹啉是一种能够有效合成多种取代基异喹啉的方法。在过去的几十年中,通过碳氢活化策略合成杂环化合物的方法得到迅猛发展,从而使得大量的芳基化合物都能作为反应的起始原料。尤其是铑、铱、钯、钌等过渡金属都能催化芳烃的碳氢活化,从而合成异喹啉化合物。 Fagnou课题组最早报道了氧化条件下利用三价铑催化剂经碳氢键活化与炔烃偶联合成异喹啉的方法。随后,众多研究组利用氧化型导向基策略在无外加氧化剂条件下高效、高选择性地合成了异喹啉。除了利用三价铑催化剂之外,利用二价钌催化剂通过碳氢活化策略也能实现类似反应。但是,这些反应体系都必须使用铑和钌等贵金属催化剂,极大地限制了该合成异喹啉方法的应用前景。近年来,数个研究组将地球上储量丰富、便宜有效的钴络合物作为催化剂应用到芳烃的碳氢键活化反应中,在简单的反应条件下合成了各种杂环化合物。对于一些反应,三价钴催化与三价铑催化能形成互补。最近, Kanai, Ackermann和Sundararaju几乎同时报道了三价钴催化肟谜的碳氢键活化,并在无外加氧化剂条件下实现了其与炔烃的偶联反应,高效地合成了异喹啉,在该类反应中以氮–氧键断裂作为内部氧化剂。但是在钴催化条件下氧化性的氮–硫键作为内部氧化剂辅助碳氢键活化的反应尚无报道。本课题组最近报道了芳基酮的N-亚磺酰亚胺与烯烃和胺化试剂的偶联反应,经N–S键断裂,高效合成了喹唑啉。本文利用三价钴催化剂在无外加氧化剂条件下实现了芳基酮N-亚磺酰亚胺与炔烃的偶联,反应经历了碳氢键活化和氮硫键断裂得到异喹啉。此反应对端炔和内炔底物均适用。为了初步了解反应机理,我们利用分子内竞争的方法进行了动力学同位素效应测定,结果表明碳氢键断裂过程可能是反应的决速步骤。结合文献结果,提出了可能的反应机理。     

钯催化的苯基取代杂环芳烃的C—H活化反应研究进展

碳氢键活化官能化反应是直接构建碳碳键、碳杂原子键的原子经济性高的有效途径,也是近年来有机合成化学研究的热点之一.从五元杂环芳烃和六元杂环芳烃的角度,按不同类别的偶联反应方式综述了近十年来钯催化的苯基取代杂环芳烃的C—H活化反应最新进展,包括苯基吡啶、苯基吡唑、苯基三氮唑等与芳基试剂、酰基试剂、氰化试剂、烷基化试剂的反应,重点对杂原子的导向机理进行了讨论,并对今后碳氢活化反应进行了展望.     

三氮烯导向的C—H活化高效吲哚合成反应

吲哚及其衍生物广泛存在于天然产物、药物及其他功能分子中.近年来,惰性键活化成为杂环合成的研究主流.已知的碳氢键活化合成吲哚的方法主要利用导向基定位实现过渡金属活化并与炔烃环化.然而,使用的静态导向基残留于目标分子中,大大局限了产物的用途.北京大学深圳研究生院黄沔课题组首次设计了具有非常广泛化学衍牛     

导向碳氢键活化与不饱和分子的电氧化环化反应

过渡金属催化导向碳氢键活化与不饱和分子的环化反应已成为合成复杂碳环和杂环化合物的高效途径,但反应中往往需要额外加入化学计量化学氧化剂来实现反应循环.电化学有机合成可利用电流代替昂贵、有毒的化学氧化剂,是一种环境友好的绿色合成手段.近年来,电化学有机合成与过渡金属(如Pd、Ni、Co、Ru、Cu、Rh、Ir等)催化碳氢键活化的结合取得了显著的进展.重点介绍了过渡金属催化导向C—H活化与炔烃、烯烃、一氧化碳和异氰等不饱和分子的电氧化环化反应的最新进展,并对该领域未来发展方向进行了展望.     

单取代芳烃对位选择性碳氢活化反应研究

以单取代芳烃为芳基化试剂,以羰基为导向定位基团,研究了单取代芳烃对位选择性与芳香酮的交叉脱氢偶联反应。该方法的高选择性一方面体现在用作芳基化试剂的单取代芳烃能够单一选择性地发生对位碳氢活化,并生成对位取代产物;另一方面,作为弱导向基团的羰基具有优异的邻位导向定位作用,高选择性地发生羰基邻位碳氢键活化。此外,该方法还具有反应条件温和、反应效率高、底物范围广、氧化剂廉价易得等优点,为对位取代联芳基化合物的合成提供了一条切实可行的途径。     

弱碱柔能克刚:动力学去质子官能化反应

碳氢键的去质子官能化反应是碳碳键构建最常用的方法,是一种重要的碳氢键活化方式.近年来,碱催化碳碳键形成反应在含弱酸性碳氢键化合物作为亲核试剂的底物拓展方面取得了重要进展.强碱性试剂或催化剂是实现这些弱酸性碳氢键官能化反应的关键.根据酸碱平衡理论,相对较强的碱才能够对弱酸性碳氢键发生去质子化反应,形成较大浓度的碳负离子中间体,进而发生亲核反应.相对较弱的碱不足以对弱酸性碳氢键进行去质子化反应,然而尽管碳负离子中间体可能浓度很低,但应该仍然存在于反应体系中.如果可以选择性地进行热力学有利的化学转化,碳负离子中间体的浓度将会下降并引起去质子化平衡的重新构建.结合碳负离子中间体不可逆的转化和去质子平衡的重新构建,弱酸性碳氢键就可以在弱碱条件下实现缓慢却持续不断的去质子官能化反应.为区别于强碱条件下、通过热力学稳定碳负离子中间体的传统碳氢键去质子官能化反应,我们将这种在弱碱条件下、通过热力学不利的碳负离子中间体转化和酸碱平衡重新构建实现的弱酸性碳氢键的官能化反应称为动力学去质子官能化反应.本文总结了碳氢键去质子官能化反应研究现状和本研究团队近年来在弱碱条件下的动力学去质子官能化反应研究进展.