C-H鍵活化在在錳族金屬催化研究方面獲重大進展

　　作為自然界最基本、最普遍的惰性化學(xué)鍵和結(jié)構(gòu)單元，C-H鍵廣泛存在于各種有機化合物當中。C-H鍵活化是現(xiàn)代有機化學(xué)的一大挑戰(zhàn)，如何高效率、高選擇性地將這些非活性化學(xué)鍵切斷(活化)并開發(fā)出實用的合成新反應(yīng)、新方法是有機化學(xué)領(lǐng)域特別是有機合成領(lǐng)域研究的熱點之一。

　　C-H鍵的均裂相對于異裂來說所需的能量低，由此在惰性化學(xué)鍵的活化中，設(shè)計一些化學(xué)鍵的均裂過程有望實現(xiàn)一些常規(guī)方法難以實現(xiàn)的催化過程。均裂產(chǎn)生的活性自由基是有機化學(xué)反應(yīng)中的一類重要中間體，也是一類“瘋狂”的中間體。只有在特定的條件下，自由基才可以對低價金屬進行氧化加成，形成活潑的有機反應(yīng)中間體，由此可以構(gòu)建新型的催化反應(yīng)。

　　非活化的C-H鍵的官能化是一個有效的方法從簡單分子構(gòu)建復(fù)雜的分子。當目標分子中含有多個不對等的C-H鍵的時候，選擇性C-H鍵活化則變得困難。通常的策略是引入鄰基導(dǎo)向基團形成剛性的六或七元環(huán)的前過渡態(tài)。然而，這種方法本身具有不足之處:首先，很難形成大于七元環(huán)的前過渡態(tài)，其次，環(huán)芳類型的過渡態(tài)具有的高能量進一步阻止了間位和對位的C-H鍵活化。到目前，雖然有大量的工作報道關(guān)于間位和對位的C-H鍵活化，但活化位的選擇性主要是基于立體和電子效應(yīng)來控制。因此，尋找一種通用的方法進行間位和對位的C-H鍵活化一直是這一領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

　　近年來發(fā)展起來的C-H鍵活化策略直接利用分子中廣泛存在的C-H鍵來構(gòu)筑C-C鍵或C-X鍵，在很大程度上節(jié)約了反應(yīng)步驟，提高了反應(yīng)效率，并且減少了對環(huán)境有害的無機廢棄物的排放。當前，后過渡金屬—特別是銠、釕、鈀、銥等“貴金屬”—在C-H活化領(lǐng)域發(fā)揮著主導(dǎo)作用。金屬錳具有來源豐富、價格便宜等優(yōu)點，其催化的C-H活化研究在國際上尚處于起步階段。

　　在國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院的大力支持下，中科院化學(xué)研究所分子識別與功能院重點實驗室的科研人員通過采用五羰基溴化錳和二環(huán)己基胺的催化劑組合，發(fā)展了錳/胺協(xié)同脫質(zhì)子的C-H活化新模式;進而，通過錳配體間質(zhì)子轉(zhuǎn)移及分子內(nèi)炔基輔助錳實現(xiàn)C-H活化等關(guān)鍵步驟，構(gòu)建了完整的錳催化循環(huán);并與化學(xué)所光化學(xué)實驗室的研究人員合作，用計算化學(xué)的方法驗證了此催化循環(huán)的合理性(J.Am.Chem.Soc.2013,135,1264-1267)。該工作是自1989年發(fā)現(xiàn)該類當量反應(yīng)以來首次實現(xiàn)的錳催化的芳烴C-H烯基化反應(yīng)。

　　在此基礎(chǔ)上，研究人員通過錳族金屬錸與主族金屬鎂催化劑的連續(xù)催化策略首次實現(xiàn)了苯甲酰胺和炔烴的中性[4 2]環(huán)化反應(yīng)。該反應(yīng)只采用催化量的錸/鎂催化劑，無需反應(yīng)物的預(yù)官能化，直接通過C-H/N-H官能化的方式合成了3,4-二氫異喹啉酮，展示了很高的原子經(jīng)濟性和過程經(jīng)濟性。同時，通過反應(yīng)條件的調(diào)控，可以高非對映選擇性分別得到順-3,4-二氫異喹啉酮和反-3,4-二氫異喹啉酮化合物，體現(xiàn)了該催化體系高度的靈活性。