過渡金屬催化C-H鍵活化一直備受關(guān)注，利用導向基團（DG）來實現(xiàn)C-H鍵的活化成為最近的研究熱點，但很多類型的反應需要在底物上預裝導向基，這會增加了額外的反應步驟，從而降低了反應的經(jīng)濟性。近年來，南開大學葉萌春課題組（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)計并合成了一系列的膦氧配體，無需預裝導向基，便可實現(xiàn)C-H鍵活化。膦氧配體（phosphine oxide）泛指含有P(O)-H結(jié)構(gòu)的三價膦有機物。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。南開大學葉萌春團隊自2014年成立以來，長期致力于新型膦氧配體的創(chuàng)制和應用研究，形成了多個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隊最近關(guān)于膦氧配體的研究成果：

2017年，葉萌春團隊報道了鎳-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現(xiàn)的環(huán)加成，其中膦氧配體-鎳-鋁組合在反應過程中十分關(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用底物，產(chǎn)率高達99%，ee 值高達94%^[1]。

2018年，葉萌春課題組實現(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，葉萌春課題組報道了BINOL類型的膦氧配體和Ni-Al雙金屬催化體系實現(xiàn)了二茂鐵烯基酰胺與炔烴的環(huán)化反應（圖4）^[3]。2021年，他們又實現(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℃氮氣氛圍下反應10小時，該反應對各種環(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缺電子導致的2-吡啶烷酮類底物的反應活性（圖6）^[5]。

圖6

2022年，該課題組報道了一種膦氧配位Ni-Al雙金屬催化炔烴與β-C-H鍵的氫芳化反應，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、化學選擇性出色等特點。值得注意的是，膦氧配位Ni-Al雙金屬催化能夠有效地引導鎳通過七元金屬環(huán)進行β-C-H鍵的氫芳化反應，從而避免了高張力四元鎳環(huán)的形成（圖7）^[6]。

圖7

通過廣泛的應用研究，該團隊證實了該類膦氧配體是獨特的雙官能化配體，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，不僅可以獲得好的反應活性和選擇性，而且可以產(chǎn)生傳統(tǒng)膦配體無法實現(xiàn)的新反應性（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，有望為多功能協(xié)同催化提供重要的設(shè)計平臺。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用。

圖8

葉萌春教授簡介

 

葉萌春，南開大學元素有機國家重點實驗室教授，博士生導師。2001年，蘭州大學化學化工學院獲得學士學位，2006年，師從中科院上海有機化學研究所唐勇院士，獲得理學博士學位。2008年，赴美國University of North Carolina at Chapel Hill醫(yī)學院Hengming Ke課題組從事博士后研究，學習結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的藥物設(shè)計。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劃資助，受聘于南開大學化學學院，從事獨立科研工作，主要進行有機合成方法學和不對稱催化研究。在惰性化學鍵活化如C-H 和C-C 鍵的活化和廉價金屬催化領(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，為惰性化學鍵的不對稱催化轉(zhuǎn)化做出了貢獻。至今在Nat. Chem., Nat. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed和CCS Chem.等頂級化學期刊發(fā)表論文50余篇，總引用2300余次。2017年獲Thieme Chemistry Journal Awards，并先后擔任《中國化學快報》、《中國科學：化學》和《ACS Catalysis》等期刊的青年編委。

參考文獻

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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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