过渡金属催化碳-氢键活化反应的研究进展

碳-氢键活化是有机合成中最具有挑战性的课题之一,受到化学家们的广泛关注。寻找环境友好的催化剂体系进行碳-氢键活化从而构建碳-碳键、碳-杂键具有重要的理论意义和应用价值。本文综述了近年来过渡金属催化碳-氢键活化反应的研究进展,主要包括不同类型的(sp,sp2,sp3)碳-氢键的活化反应及其反应机理的探讨。

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。

手性硫脲催化剂不对称催化反应及氢键活化作用研究

手性硫脲在不对称催化反应中是一类典型的双功能有机小分子催化剂.文章综述了对称催化反应中手性硫脲的氢键活化理论模型研究现状,重点阐述了手性硫脲催化剂对底物的氢键活化作用的影响规律,并对未来的研究方向提出了观点.

基于水相中铑催化碳氢键活化反应合成炔基取代香豆素

香豆素是一种具有良好光电活性的重要结构单元,常被应用于染料、荧光探针以及OLED结构中。研究表明,炔基取代的香豆素具有良好的药物和荧光活性,因此该类化合物的研究得到广泛关注。然而,传统的合成方法往往需要有机溶剂和卤代的香豆素,这势必会造成环境污染以及成本升高。因此,本文拟以1,3-二炔和取代苯酚为原料,利用铑催化的C-H键活化环化反应,在水相中实现此类化合物的合成。此方法原料易得,不需要预官能化,而且水作溶剂,反应的后处理较简便,为此类化合物的合成提供一种高效、快捷的有机合成方法。

福建物构所卡宾桥联碳氢键活化系列工作获进展

中国科学院福建物质结构研究所研究员黄学良课题组一直致力于金属卡宾相关课题的研究,将传统卡宾化学与碳氢活化反应结合起来,以简单易得原料为反应物,开发了新的碳氢键活化反应类型,即卡宾桥联碳氢活化。该方法解决了简单底物不满足碳氢活化反应要求的问题,同时利用卡宾的参与,给反应产物带来了结构的多样性,对于杂环化合物的构建具有重要意义。

界面电子扰动促进的C–H键活化

丙烯是重要的化工原料,广泛用于生产聚丙烯、环氧丙烷、丙烯醛、丙烯腈和丙酮等重要化工中间体以及合成树脂、合成橡胶和许多精细化工产品.目前生产丙烯的方法主要有石脑油裂解、催化流化裂化、丙烷脱氢、烯烃复分解和甲醇制烯烃等.其中丙烷脱氢因具有较高的丙烯选择性和较低的原料成本而备受关注,尤其是页岩气在全球的大量发现和开采,使得丙烷的原料成本持续下降,丙烷脱氢技术的迅速发展,但高效催化剂研发成为提升生产效率的关键.商业Pt基催化剂通常采用合金化的手段优化Pt颗粒的表面结构和中间体的吸附状态,进而获得较好的催化性能,但金属助剂的引入在一定程度上会弱化Pt位点的C–H键活化能力.针对该问题,本文从惰性C–H键活化角度出发,揭示了一种新的C–H键界面活化机制.通过金属-载体强相互作用诱导形成Pt-Ga_(2)O_(3)反向界面结构,密度泛函理论计算结果表明,Pt与Ga_(2)O_(3)之间存在强烈的电子扰动现象,使得界面处O位点表现出类金属的电子特性,在费米能级附近存在连续的电子态,这与Ga_(2)O_(3)本身离散性电子态呈明显对比,显示出Pt-Ga_(2)O_(3)反向界面结构的独特性质,使得界面O位点表现出极强的H吸附能和C–H键活化能力,其催化丙烷分子中亚甲基C–H键断裂的活化能仅为0.21 eV,远低于Pt(111)晶面的0.64 eV.原位红外光谱结果表明,反应过程中该界面结构会产生大量的羟基.根据过渡态的精细结构可知,反应位点是通过抓取H原子并随即稳定产生的C自由基完成C–H键的断裂,分析结果表明,H吸附能与反应能垒有着紧密的关联,而Pt-Ga_(2)O_(3)反向界面结构中,Pt基底赋予界面O位点独特的电子结构,同时也可以作为电子受体接收H传递的电子,从而表现出极强的H结合能和C–H键活化能力,其C–H断裂能垒要远低于各类Pt位点.进一步的分析表明,首个C–H键在Pt–O界面位发生断裂后,所形成的H物种会由O位点溢流至Pt颗粒表面,最终以H_(2)形式释放,留下的2-丙基碎片再经历甲基的C–H键断裂、H溢流、脱氢等步骤形成丙烯分子.而Pt颗粒表面的Ga_(2)O_(3)团簇也起到分割表面位点的作用,促进丙烯脱附的同时,有效弱化C–C键的断裂趋势,减少裂解副产物,生成丙烯的选择性超过99%.综上所述,本文构建的Pt/Ga-Al_(2)O_(3)界面位催化剂在丙烷脱氢反应中的性能要明显优于Pt/Al_(2)O_(3)以及工业常用的PtSn/Al_(2)O_(3)催化剂,揭示了一种全新的C–H键活化策略,并探究其中的化学机制,既可以深化对界面协同催化的理解,又可以为高性能催化剂的设计提供借鉴和指导.

过渡金属催化硼-氢键活化合成含硼-杂原子键邻碳硼烷衍生物的研究进展

十二顶点碳硼烷是一类含有碳、氢及硼原子的簇合物,具有特殊的热稳定性和化学稳定性,在医药、材料、能源、配位化学及金属有机化学中都得到广泛的应用.近年来,过渡金属催化的碳硼烷直接硼-氢键活化发展迅速,为硼顶点选择性官能团化提供了一系列新的高效路径.总结了利用过渡金属催化硼-氢键活化策略来实现邻碳硼烷硼-硼、硼-氮、硼-氧、硼-硫及硼-卤键构建的研究进展,同时对部分反应机理进行了讨论,并就该研究领域所面临的挑战和发展前景进行了展望.

通过密度泛函理论对溶剂效应对碳氢键断裂步骤的影响研究

碳氢键活化反应在合成方面的作用已经被研究证明了。其中8-氨基喹啉导向基介导的碳氢键活化反应是实现此策略最常用的方法。大量的计算化学研究都已证明8-氨基喹啉导向基自身强大的供电子效应以及刚性结构是其反应高效的关键。然而,与此相关的溶剂效应并没有得到充分研究。依次选取极性从低到高的溶剂甲苯、1,2-二氯乙烷、丙酮、乙腈、二甲基亚砜的隐式溶剂模型来对8-氨基喹啉导向基介导的sp~3碳氢键活化反应的决速步(碳氢键断裂步骤)进行密度泛函理论(DFT)计算,最终得知随着溶剂极性的提高,碳氢键断裂步骤的过渡态的熵减程度会明显下降,从而使得对应的吉布斯自由能垒降低,进而加快碳氢键断裂步骤的进行。

远程碳氢键活化用于平面手性的构建

Planar chirality is a fascinating type of chirality that is exploited in natural systems and also finds significant applications as chiral catalysts and functional materials.In particular,chiral ferrocenes represent one of the most extensively studied planar-chiral skeletons in asymmetric catalysis(Scheme 1a)[1].

利用碳氢键活化合成钴的钳式配合物及其性质研究(英文)

利用CoMe（PMe3）4或者CoMe3（PMe3）3与[PCP]-钳式配体,[Ph2P（ortho-C6H4）]2CH2（1）,室温下反应,在实现碳氢键活化的同时,合成了钴的钳式配合物[PCP]Co（I）（PMe3）（2）.配合物2与卤代烃C6Cl6,EtBr,n-BuBr以及CH3I反应,分别生成了单电子氧化加成产物3~5,[PCP]Co（II）X（PMe3）[X=Cl（3）,Br（4）,I（5）].X射线衍射分析测定了配合物2~6的结构.

镍催化惰性碳氢键活化研究进展

相较于传统的偶联反应,碳氢键活化由于无需预官能团化,而具有相对更高的原子经济性和环境友好性,近年来广受关注,并取得迅猛发展.钯、铑、钌和铱等贵金属催化的碳氢键活化近年来已经取得了令人瞩目的发展,但较高的催化剂成本以及有毒有害的重金属残留在一定程度上也限制了其应用.因此,以储量丰富并且价格相对低廉的铁、钴、镍和铜等廉价金属为催化剂,实现惰性碳氢键活化具有重要的科学价值和经济意义.由于镍催化剂价格相对低廉并且具有良好的催化活性,近年来,镍催化的惰性碳氢键活化受到广泛关注.本文综述了镍催化的惰性碳氢键活化的最新研究进展,并对催化体系、成键类型和反应机理进行了初步探讨.

钯促进的碳氢键活化在齐墩果酸D和E环脱氢烯化中的应用研究

齐墩果烷型的三萜及其糖苷化合物广泛分布于陆地植物和一些海洋生物中,是许多传统药物中的活性成分.这类五环三萜化合物的D和E环常发生羟基化的修饰,这些羟基及进一步的酰化或糖基化对这些化合物的活性非常重要.报道了利用最近发展的钯促进的碳氢键活化的方法,以齐墩果酸C28位羧基上缩合的8-胺基喹啉或2-氨甲基吡啶酰胺作为导向基团实现了对齐墩果酸D和E环的选择性脱氢烯化.这为进一步引入其他官能团奠定了基础.在此,N,N-双齿配体对于反应的顺利进行十分重要.

碳-氢键活化在有机半导体合成方面的应用

介绍了碳-氢键活化发展历程、典型的反应机理,综述了碳-氢键活化应用于制备有机小分子和聚合物半导体的研究进展,详细探讨了碳-氢键活化的适用性以及有机半导体的器件性能.

氢键活化的硝基烯参与的多组分不对称串联合成研究进展

有机催化多组分不对称串联反应是构建复杂手性化合物的最有效方法之一,双功能手性催化剂是一类重要的单分子双活化有机小分子催化剂,能同时对多个反应底物进行氢键活化,实现多个新键的形成和多个手性中心的立体选择性控制.基于双功能催化剂氢键活化的硝基烯是一类重要的有机反应合成子,能参与多种有机小分子催化的串联反应.对硝基烯参与的多组分不对称串联反应,根据双功能催化剂的结构特征,从双功能硫脲-胺催化、双功能方酰胺-胺催化、其它双功能催化剂催化三个方面进行文献综述.从反应类型、反应机理、反应特点及应用等方面进行了系统地阐述,并对该领域的研究应用和发展前景进行了展望.

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.

碳氢键活化一氧化碳羰基化偶联反应研究进展

自从Heck小组于1974年报道了有机卤代物的插一氧化碳(CO)反应之后,羰基化反应便引起了众多化学科研工作者的兴趣及关注.羰基化反应是合成含羰基化合物最有效的方法之一,CO作为现成的C1来源,它不仅价格便宜而且原子利用率高,并且可以有效地延长碳链.如今,羰基化反应在科研与工业上已经有了广泛的应用.据此,本文对近期关于过渡金属催化碳氢键活化羰基化领域的研究进展进行了综述,主要从sp,sp2和sp3碳氢键的活化羰基化反应3个部分进行了介绍,并对部分反应的机理进行了阐述.这些碳氢键活化羰基化反应为酸、酮、酯、酰胺、酸酐等羰基化合物的合成提供了简便和高效的途径.

基于亚胺瞬态导向策略的过渡金属催化的碳氢键活化

在过去几十年,过渡金属催化的碳氢键活化取得了巨大的发展,并给有机合成领域带来了革命性的改变.与传统的通过共价连接的导向基相比,基于瞬态导向策略的碳氢键活化,因为规避了传统导向基需要额外的步骤进行安装和脱除的不足,极大地提高了合成效率,拓宽了合成应用范围.综述了近年来基于亚胺瞬态导向策略的过渡金属催化的碳氢键活化的研究进展,着重探讨了各种瞬态导向基及其应用.按照底物类型和所活化碳氢键的类型进行分类,并对该领域目前存在的局限性和未来发展进行了总结和展望.

手性配体在钯催化不对称碳氢键活化反应中的应用

目前,手性配体辅助钯催化的区域和对映选择性碳氢键活化是过渡金属催化的前沿领域.在过去的十年中,它作为一种越来越重要的合成工具,用于合成含有各种不对称元素(中心手性、轴手性和平面手性)的手性分子,也是快速构建各种碳碳键和碳杂原子键的最有效方法之一.本文介绍了一些典型手性配体在钯催化不对称sp^(2)和sp^(3)碳氢键活化/官能团化反应中的应用,如单齿配体亚磷酰胺、手性磷酸(CPAs)和双功能氮端单保护的氨基酸(MPAAs)配体;探讨了这些手性配体辅助催化反应的创新性和特点,在理清这一研究领域发展脉络的同时,展望了未来研究工作的方向.此外,本文还介绍了这一不对称合成策略在天然产物、药物分子全合成中的应用.

分子筛限域单位点钴体系催化芳香族化合物C-H键自调节高效氧化

通过芳香族化合物的碳-氢键活化与选择氧化,可以将廉价芳香烃类原料转化为高附加值含氧产品,因此,该反应在基础研究和工业生产中均受到广泛关注.传统的苯乙酮生产工艺存在毒性底物使用、催化剂回收困难、反应条件苛刻以及产物收率低等问题.通过大量的研究探索,科研人员进一步改进其生产工艺,利用环烷酸钴作为均相催化剂,实现了无溶剂条件下分子氧直接选择氧化乙苯生成苯乙酮.相比均相催化,多相催化在催化剂回收和产物分离方面具有优势,更适合工业化生产.因此,开发用于乙苯选择氧化制苯乙酮的高效稳定多相催化体系非常重要,但具有较大挑战.本文采用原位配体保护的水热合成法将钴配合物(钴-二乙烯三胺)封装在Y型分子筛中,并经进一步焙烧去除配体成功制得Co@Y分子筛催化剂.在无溶剂、无添加剂的条件下,单位点Co作为Co@Y分子筛催化剂的活性位点可催化乙苯选择氧化生成苯乙酮.X射线粉末衍射、透射电镜、紫外可见光吸收光谱和固体核磁共振谱等结果表明,该单位点Co(Co^(2+))通过与骨架氧原子作用稳定限域在Y型分子筛中.为明确Co@Y分子筛催化剂中单位点Co在乙苯氧化反应中所起的重要作用,本文还对比了不同后合成方法所制备的Y分子筛(Co/Y,Co-Y)催化剂及工业环烷酸钴催化剂的催化性能.结果表明,在相同反应条件下,Co@Y分子筛催化剂表现出最高的催化性能,也说明在乙苯氧化反应过程中Co@Y分子筛催化剂的单位点Co有别于上述其他催化剂的活性位点.此外,在Co@Y催化剂热过滤实验中未检测出Co物种浸出,表明Co@Y分子筛催化乙苯氧化反应为多相催化过程,并且在多次循环测试后,Co@Y催化剂结构和反应活性均未发生明显变化.这两项实验均表明Co@Y催化剂具有高稳定性.值得注意的是,在乙苯氧化反应过程中观察到自加速现象,为此进行了对比实验(添加苯甲醛或1-苯乙醇的对比实验)和反应动力学分析.结果表明,痕量苯甲醛或1-苯乙醇的加入会显著改变Co@Y催化剂在乙苯氧化反应中的催化行为,痕量苯甲醛的加入可将反应表观活化能从69.7降至53.7 kJ/mol.本文也通过第一性原理密度泛函理论(DFT)计算系统研究了Co@Y分子筛催化剂单位点Co处乙苯选择氧化反应机理及反应过程中自加速现象产生的原因.DFT计算结果结合上述对比实验和反应动力学分析结果表明,加入痕量苯甲醛或者1-苯乙醇后部分乙苯会直接氧化生成苯乙酮,而非通过乙苯→1-苯乙醇→苯乙酮的途径生成苯乙酮.DFT计算结果也阐明反应过程中自加速现象的产生源于单位点Co处活性氧物种(O^(*))的生成.该活性氧物种在乙苯、苯甲醛和1-苯乙醇的氧化途径中均能自发生成,并且该物种类似“引发剂”促使后续更多链式反应的发生,在乙苯氧化反应过程中具有非常重要的作用.综上所述,本文为理解芳香族化合物碳-氢键选择氧化实验现象与催化作用机制提供了有益见解,可为理性设计开发更高效的催化剂提供新思路.