C-H鍵活化在在錳族金屬催化研究方面獲重大進(jìn)展

　　作為自然界最基本、最普遍的惰性化學(xué)鍵和結構單元，C-H鍵廣泛存在于各種有機化合物當中。C-H鍵活化是現代有機化學(xué)的一大挑戰，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(kāi)發(fā)出實(shí)用的合成新反應、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(diǎn)之一。

　　C-H鍵的均裂相對于異裂來(lái)說(shuō)所需的能量低，由此在惰性化學(xué)鍵的活化中，設計一些化學(xué)鍵的均裂過(guò)程有望實(shí)現一些常規方法難以實(shí)現的催化過(guò)程。均裂產(chǎn)生的活性自由基是有機化學(xué)反應中的一類(lèi)重要中間體，也是一類(lèi)“瘋狂”的中間體。只有在特定的條件下，自由基才可以對低價(jià)金屬進(jìn)行氧化加成，形成活潑的有機反應中間體，由此可以構建新型的催化反應。

　　非活化的C-H鍵的官能化是一個(gè)有效的方法從簡(jiǎn)單分子構建復雜的分子。當目標分子中含有多個(gè)不對等的C-H鍵的時(shí)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向基團形成剛性的六或七元環(huán)的前過(guò)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(guò)渡態(tài)，其次，環(huán)芳類(lèi)型的過(guò)渡態(tài)具有的高能量進(jìn)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來(lái)控制。因此，尋找一種通用的方法進(jìn)行間位和對位的C-H鍵活化一直是這一領(lǐng)域的挑戰。

　　近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的C-H鍵活化策略直接利用分子中廣泛存在的C-H鍵來(lái)構筑C-C鍵或C-X鍵，在很大程度上節約了反應步驟，提高了反應效率，并且減少了對環(huán)境有害的無(wú)機廢棄物的排放。當前，后過(guò)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(zhù)主導作用。金屬錳具有來(lái)源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)實(shí)驗室的科研人員通過(guò)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(jìn)而，通過(guò)錳配體間質(zhì)子轉移及分子內炔基輔助錳實(shí)現C-H活化等關(guān)鍵步驟，構建了完整的錳催化循環(huán);并與化學(xué)所光化學(xué)實(shí)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)現該類(lèi)當量反應以來(lái)首次實(shí)現的錳催化的芳烴C-H烯基化反應。

　　在此基礎上，研究人員通過(guò)錳族金屬錸與主族金屬鎂催化劑的連續催化策略首次實(shí)現了苯甲酰胺和炔烴的中性[4 2]環(huán)化反應。該反應只采用催化量的錸/鎂催化劑，無(wú)需反應物的預官能化，直接通過(guò)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(guò)程經(jīng)濟性。同時(shí)，通過(guò)反應條件的調控，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，體現了該催化體系高度的靈活性。