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关冰涛课题组:碱金属络合物催化应用新进展
2018-05-07

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导语

过渡金属催化剂包括稀土、四族金属催化剂,被广泛应用于有机合成、精细化工、聚合以及能源工业等领域,并发挥着重要作用。然而,多数过渡金属在地壳的含量少,催化剂价格昂贵,容易在产品中残留并对生物和环境产生毒性。因此,越来越多的化学家逐渐关注地壳储量丰富、元素毒性小的过渡金属或者主族金属催化剂。一些碱金属、碱土金属络合物具有和稀土、四族金属相同的d0外层电子构型和相似的反应性,并且具有储量丰富、价格便宜、无元素毒性等优点。然而和稀土、四族金属络合物广泛的催化应用相比,碱金属、碱土金属络合物合成面临着络合物稳定性差、容易发生配体交换、配体类型单一等问题,缺乏调节络合物催化活性的有效手段。近日,南开大学关冰涛金属有机化学研究室在碱金属及其络合物催化反应领域取得重要进展,实现了胺基钾、锌钾复合盐络合物催化的烷基吡啶和二芳基甲烷对苯乙烯的加成反应(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1650-1653; Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201713165)。

关冰涛研究员课题组简介


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关冰涛研究员课题组成立于2012年10月,他们希望利用主族金属络合物实现过渡金属催化功能。课题组成立之初,他们决定从碱金属、碱土金属元素入手,并确定了发展碱金属、碱土金属化学的宗旨:参考稀土、四族金属络合物反应性,立足碱金属、碱土金属络合物新结构设计、合成,发展催化反应。目前课题组成员有博士生5名,硕士生3名,本科生2名。课题组研究方向:(1)碱金属、碱土金属、稀土金属有机化学;(2)金属有机络合物的设计、合成及其在有机合成、聚合反应中的催化应用;(3)惰性化学键的催化官能化反应。

关冰涛研究员简介


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关冰涛,南开大学元素有机化学国家重点实验室特聘研究员,博士生导师。2003年毕业于郑州大学应用化学专业,获理学学士学位;2004考入北京大学化学与分子工程学院,在施章杰教授指导下从事过渡金属催化惰性C-O键官能化反应研究,并于2009年获得理学博士学位;随后加入日本理化学研究所(RIKEN)侯召民研究员课题组,从事稀土金属有机络合物合成和催化应用研究;2012年入职南开大学元素有机化学国家重点实验室,开展碱金属、碱土金属、稀土金属络合物的合成和催化应用研究。2012年入选天津市青年千人项目,2014年入选中组部“青年拔尖人才”项目。

前沿科研成果

胺基钾催化的烷基吡啶苄基C-H键对苯乙烯的加成反应

C-H键对不饱和键的催化加成反应是一类直接、高效、高原子经济性的反应。Brønsted碱催化的碳碳键形成反应,如羟醛缩合、Mannich和Michael加成反应,由于其可靠性、高效性和理想的原子经济性,已被广泛用于有机合成。然而,这些反应的底物局限于含有相对酸性氢原子(pKa = 18–25)的化合物,如醛、酮、丙二酸和硝基烷烃衍生物。对于含有更弱酸性氢原子的化合物,如酯、腈、酰胺和芳香杂环烷基化合物(pKa>30),反应通常需要化学计量的强碱进行去质子化反应进而发生亲核反应。Pines和Knochel早期的工作实现了叔丁醇钾催化的腈、酮、亚胺、内酰胺以及芳香杂环烷基化合物对苯乙烯的加成反应。近些年来,Kobayashi等课题组报道了胺基钾或者氢化钾催化的腈、亚胺、酰胺和芳香杂环烷基化合物对ɑ,β-不饱和羰基化合物的加成反应。目前,这一类反应的亲核试剂底物范围局限于具有酸性氢原子的化合物,亲电试剂局限于具有极性和弱极性不饱和化学键的化合物。吡啶苄基C-H键的官能化反应是吡啶衍生物的一种重要的合成方法。前过渡金属可以实现烷基吡啶和普通烯烃的催化加成反应(图1a)。然而对于同时具有邻位吡啶C-H键和苄基C-H键的烷基吡啶,前过渡金属催化剂优先进行吡啶C-H键的催化烷基化反应(图1b)。
      近日,南开大学关冰涛课题组发现六甲基二硅基胺基钾(KHMDS)可以顺利实现吡啶苄基C-H键和苯乙烯的催化加成反应(图1c)。相对于稀土、四族金属阳离子络合物,KHMDS表现了完全不同的选择性和反应性,并具有以下几个优点:(1)催化剂是商品化试剂,便宜易得;(2)反应选择性地发生在吡啶苄基C-H 键;(3)对于大位阻三级C-H 键也具有良好的反应性,可以应用于吡啶苄位四级碳取代的衍生物的合成。这些优势可以使胺基钾催化的烷基吡啶烷基化反应成为一种经济、高效的合成方法。初步的机理研究表明,胺基钾对烷基吡啶的去质子化平衡是反应具有良好选择性的关键。

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图1. 吡啶苄位C-H键的烷基化反
(来源:Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1650-1653)

锌钾复合盐络合物催化的二芳基甲烷苄基C-H键对苯乙烯的加成反应

二芳基烷烃结构在药物分子和天然产物中广泛存在;含有二芳基烷烃结构的化合物通常具有独特的生理活性。二芳基甲烷苄基C-H键具有一定的酸性和较好的反应活性。因此,在强碱条件下的去质子化反应和进一步的亲核取代或者加成反应可以实现二芳基甲烷的官能化反应(图2a)。另外,在过渡金属催化剂的作用下,二芳基甲烷可以发生偶联反应或氧化偶联反应(图2b,c)。这些反应通常需要较为强烈的条件、当量或者更多的强碱或氧化剂。因此,发展在温和条件下的、原子经济性的二芳基烷烃的合成方法具有重要的意义。
      在胺基钾催化烷基吡啶苄基C-H与苯乙烯烷基化反应的基础上,作者进一步尝试将这一反应类型推广到其他弱酸性化合物。二苯甲烷苄基氢与烷基吡啶苄基氢的pKa值十分接近,所以作者首先利用KHMDS作为催化剂尝试二苯甲烷和苯乙烯的反应。KHMDS可以使反应发生但效率较低,在70 ℃条件下加热12小时,反应仅仅实现了一个催化循环(10 mol %催化剂,产率11%)。然而当作者将KBn与Zn(HMDS)2混合作为催化剂时,同样条件下,产率提高到了88%。反应具有良好的选择性,没有发现二次烷基化和苯乙烯的寡聚产物。将KBn缓慢加入到Zn(HMDS)2的苯或者甲苯溶液中时,随着时间的延长KBn的红色会缓慢消失最终产生一种白色的固体。通过对白色固体的核磁表征,我们发现它与之前Mulvey等人报道的使用KZn(HMDS)3对甲苯去质子化的产物KZn(HMDS)2Bn络合物的核磁数据完全一致。Zn-K络合物的单晶结构显示K与Zn通过两个N原子桥连,苄基与Zn相连,这样的桥连结构可能对催化剂性能有重要影响。进一步的底物拓展实验表明各种二芳基甲烷和苯乙烯衍生物都可以很好地实现催化加成反应(图2d)。初步的机理研究表明二苯甲烷苄基C-H键断裂是反应的决速步。总之,研究团队实现了第一例二芳基甲烷苄基C-H键和苯乙烯的催化加成反应。由苄基钾和胺基锌制备的锌钾复合盐络合物具有独特的催化活性。由于不需要碱和氧化剂,因此该反应代表了二芳基烷烃合成的一种实用的、原子经济的方法。目前,有关锌钾复合盐络合物进一步的催化应用和相关机理研究正在进行中。

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图2. 二芳基甲烷苄位C-H键官能化反应
(来源:Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201713165)

这两项研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1650–1653; Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201713165)上。研究工作得到了中组部“国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才”、国家自然科学基金委、天津市自然科学基金、南开大学以及元素有机化学国家重点实验室的资助。
      另外,南开大学关冰涛课题组招聘博士后1-2名,年薪税前30-40万,并可享受天津市给予一次性5万元生活补贴,具体要求及政策请近期关注南开大学官网。希望有稀土、碱土金属络合物操作经验并希望从事金属络合物合成和催化应用研究的博士毕业生与关冰涛老师联系(邮箱:guan@nankai.edu.cn,电话022-23509170)。