過渡金屬催化C-H鍵活化一直備受關(guān)注，利用導(dǎo)向基團(tuán)（DG）來實(shí)現(xiàn)C-H鍵的活化成為最近的研究熱點(diǎn)，但很多類型的反應(yīng)需要在底物上預(yù)裝導(dǎo)向基，這會增加了額外的反應(yīng)步驟，從而降低了反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性。近年來，南開大學(xué)葉萌春課題組（課題組主頁http://www.yechem.cn/）一直致力于配體錨定雙金屬催化（Ni-Al）的方法來活化C-H鍵，他們設(shè)計(jì)并合成了一系列的膦氧配體，無需預(yù)裝導(dǎo)向基，便可實(shí)現(xiàn)C-H鍵活化。膦氧配體（phosphine oxide）泛指含有P(O)-H結(jié)構(gòu)的三價(jià)膦有機(jī)物。相比于普通的三芳基或者烷基膦化物，該類膦化物易于合成且在空氣中較為穩(wěn)定。在合適的條件下，該膦化物的H原子可以從P原子遷移至O原子，形成強(qiáng)配位能力的三取代膦化物，可以用作各類金屬的配體。南開大學(xué)葉萌春團(tuán)隊(duì)自2014年成立以來，長期致力于新型膦氧配體的創(chuàng)制和應(yīng)用研究，形成了多個(gè)骨架系列的膦氧配體（圖1）。

圖1 各類不同骨架的膦氧配體

下面介紹一下葉萌春團(tuán)隊(duì)最近關(guān)于膦氧配體的研究成果：

2017年，葉萌春團(tuán)隊(duì)報(bào)道了鎳-鋁雙金屬催化對映體選擇性環(huán)丙基甲酰胺類與烷基炔烴實(shí)現(xiàn)的環(huán)加成，其中膦氧配體-鎳-鋁組合在反應(yīng)過程中十分關(guān)鍵，它主要通過活化環(huán)丙烷底物與鎳氧化加成和穩(wěn)定中間態(tài)，通過該方法合成了一系類實(shí)用底物，產(chǎn)率高達(dá)99%，ee 值高達(dá)94%^[1]。

2018年，葉萌春課題組實(shí)現(xiàn)了鎳-鋁雙金屬催化催化咪唑與烷基烯烴的立體選擇性和區(qū)域選擇性的C-H鍵環(huán)加成，TADDOL手性膦氧配體與鎳-鋁聯(lián)合使用下，合成了具有β-立體中心點(diǎn)的咪唑類化合物，該配體打破了鎳催化對配體的敏感和立體選擇性差的壁壘（圖3）^[2]。

圖3

2020年，葉萌春課題組報(bào)道了BINOL類型的膦氧配體和Ni-Al雙金屬催化體系實(shí)現(xiàn)了二茂鐵烯基酰胺與炔烴的環(huán)化反應(yīng)（圖4）^[3]。2021年，他們又實(shí)現(xiàn)了烯基酰胺選擇性的C(sp3)-H的斷裂， 在Ni(cod)2和Al(t-Bu)3雙催化作用下，TADDOL膦氧為配體，甲苯為溶劑，110℃氮?dú)夥諊�下反�?yīng)10小時(shí)，該反應(yīng)對各種環(huán)狀和非環(huán)狀的烯基酰胺都具有很好的耐受性（圖5）^[4]。

圖4

圖5

2021年，他們報(bào)道了配體控制Ni(0)−Al(III)雙金屬催化2-吡啶烷酮C3-H烯烴化，合成了一系類高產(chǎn)率的2-吡啶烷酮衍生物，雙功能的PO配體聯(lián)合Ni-Al雙金屬對區(qū)域選擇提供了巨大的幫助，突破了吡啶C4和C6缺電子導(dǎo)致的2-吡啶烷酮類底物的反應(yīng)活性（圖6）^[5]。

圖6

2022年，該課題組報(bào)道了一種膦氧配位Ni-Al雙金屬催化炔烴與β-C-H鍵的氫芳化反應(yīng)，從而合成了一系列C4-烯基化的2-苯基苯并咪唑衍生物，具有底物范圍廣泛、收率高、化學(xué)選擇性出色等特點(diǎn)。值得注意的是，膦氧配位Ni-Al雙金屬催化能夠有效地引導(dǎo)鎳通過七元金屬環(huán)進(jìn)行β-C-H鍵的氫芳化反應(yīng)，從而避免了高張力四元鎳環(huán)的形成（圖7）^[6]。

圖7

通過廣泛的應(yīng)用研究，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)了該類膦氧配體是獨(dú)特的雙官能化配體，可以很好地橋聯(lián)Ni(0)和烷基Al雙金屬，高效催化各類C-H和C-C鍵活化反應(yīng)，不僅可以獲得好的反應(yīng)活性和選擇性，而且可以產(chǎn)生傳統(tǒng)膦配體無法實(shí)現(xiàn)的新反應(yīng)性（圖8）。這些結(jié)果顯示，空氣穩(wěn)定且易于合成的膦氧配體是一類具有特殊功能的三價(jià)膦配體，在合適的激活條件下，不僅具備傳統(tǒng)膦配體的各種功能，成為傳統(tǒng)膦配體的完美替代物，而且具備額外的多功能位點(diǎn)，有望為多功能協(xié)同催化提供重要的設(shè)計(jì)平臺。隨著協(xié)同催化技術(shù)的發(fā)展和日益增長的需求，該類配體在有機(jī)合成及不對稱催化合成中有望受到越來越多的重視和更加廣泛的應(yīng)用。

圖8

葉萌春教授簡介

 

葉萌春，南開大學(xué)元素有機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師。2001年，蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2006年，師從中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所唐勇院士，獲得理學(xué)博士學(xué)位。2008年，赴美國University of North Carolina at Chapel Hill醫(yī)學(xué)院Hengming Ke課題組從事博士后研究，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的藥物設(shè)計(jì)。2009年，轉(zhuǎn)赴美國Scripps研究所Jin-Quan Yu課題組從事C-H鍵活化研究。2014年受國家青年人才計(jì)劃資助，受聘于南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，從事獨(dú)立科研工作，主要進(jìn)行有機(jī)合成方法學(xué)和不對稱催化研究。在惰性化學(xué)鍵活化如C-H 和C-C 鍵的活化和廉價(jià)金屬催化領(lǐng)域開展了原創(chuàng)性研究，提出了底物和配體錨定催化的仿生催化模式，發(fā)展了新型膦氧配體協(xié)同的Ni-Al 雙金屬催化劑，為惰性化學(xué)鍵的不對稱催化轉(zhuǎn)化做出了貢獻(xiàn)。至今在Nat. Chem., Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed和CCS Chem.等頂級化學(xué)期刊發(fā)表論文50余篇，總引用2300余次。2017年獲Thieme Chemistry Journal Awards，并先后擔(dān)任《中國化學(xué)快報(bào)》、《中國科學(xué)：化學(xué)》和《ACS Catalysis》等期刊的青年編委。

參考文獻(xiàn)

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1. Qi-Sheng Liu, De-Yin Wang, Zhi-Jun Yang, Yu-Xin Luan, Jin-Fei Yang, Jiang-Fei Li, You-Ge Pu, and Mengchun Ye, Ni–Al Bimetallic Catalyzed Enantioselective Cycloaddition of Cyclopropyl Carboxamide with Alkyne. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139 (50), 18150-18153.

2. Yin-Xia Wang, Shao-Long Qi, Yu-Xin Luan, Xing-Wang Han, Shan Wang, Hao Chen, and Mengchun Ye. Journal of the American Chemical Society, 2018, 140 (16), 5360-5364.

3. H. Chen, Y.-X. Wang, Y.-X. Luan, M. Ye, Enantioselective Twofold C−H Annulation of Formamides and Alkynes without Built-in Chelating Groups. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9428.

4. Rong-Hua Wang, Jiang-Fei Li, Yue Li, Shao-Long Qi, Tao Zhang, Yu-Xin Luan, and Mengchun Ye. ACS Catalysis, 2021, 11 (2), 858-864.

5. Ge Yin, Yue Li, Rong-Hua Wang, Jiang-Fei Li, Xue-Tao Xu,* Yu-Xin Luan,* and Mengchun Ye* Ligand-Controlled Ni(0)−Al(III) Bimetal-Catalyzed C3−H Alkenylation of 2‑Pyridones by Reversing Conventional Selectivity. ACS Catalysis. 2021, 11, 4606.

6. Qi, SL., Liu, YP., Li, Y. et al. Ni-catalyzed hydroarylation of alkynes with unactivated β-C(sp2)−H bonds. Nat Commun 13, 2938 (2022). 

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