过渡金属催化的碳氢键活化

过渡金属催化的碳氢键活化

应用化学，涂适，1132236

碳-氢(C-H)键的转化和碳-碳(C-C)键的连接是有机化学中最重要、最基础的研究内容之一。作为自然界最基本、最普遍的惰性化学键和结构单元，C-H键广泛存在于各种有机化合物当中(如简单的碳氢化合物、复杂有机分子、生物体内组织，工业多聚物材料等)。而通过直接活化和诱导C-H键形成新的官能团(特别是新的C-C键)无疑是一条极具吸引力的反应策略，它集中体现了原子经济性、步骤经济性、环境友好等特征，近年来已发展成有机化学中最活跃的研究领域之一。

早在上世纪初，人们就发现通过一些特定的方法可以对一些惰性C-H键进行直接的官能团化，但如何在活化过程中对各类形形色色的C-H键进行识别和区分，并有目的性的对特定的位置进行定向官能团衍生，一直是有机合成领域的研究难点。随着过渡金属化学的迅猛发展，一系列新反应、新试剂陆续被发现和合成，并在有机合成中得到了广泛的应用。而过渡金属在C-H活化领域的应用，使得对一些C-H键定向的活化和官能团化成为可能，相关的研究近10年来已取得了令人瞩目的成绩，特别是钌、铑、钯、铱等传统过渡金属催化的一些具有高化学选择性的C-H活化反应已经逐渐发展成熟，并且在有机合成中得到了越来越多的应用。

最近，过渡金属促进的有机反应研究的主要聚焦于两类过渡金属上。一类是以铂、金、银为代表的贵重过渡金属，传统上这几种金属普遍被认为具有惰性及稳定性，通常很少参与有机反应，但近期的研究发现，这些金属往往具有独特的反应性，其在C-H活化领域的应用令人期待。另一类是以铜、铁等为代表的过渡金属化合物，这类金属在地球中储量丰富，具有价格低廉，环境友好等特征。用更经济、更绿色的铜、铁催化剂代替传统稀有过渡金属(如钌、铑、钯等)催化活化碳-氢键实现碳-碳键的构筑是金属有机化学发展的又一热点。

现阶段，各种新的策略和机理被提出并被广泛采用，以下爱是对过渡金属催化的碳氢活化发展及其研究进展的一些介绍。

碳氢活化反应既可以发生在分子内进行，也可以发生在分子间。分子内的碳氢活化反应由于体系对反应位置自由度的限制使得反应具有区域选择性。

分子间碳氢活化反应由于催化剂和C-H键反应的时候具有更大的自由度使得该类型反应有更大的挑战性。影响分子间碳氢活化反应的区域选择性的主要因素有：一、官能团化得芳环的电性（例如，芳基亲电取代发生在供电子基取代的邻对位）；

二，导向基团（导向基团辅助的反应主要是利用含氮或氧原子的络合官能团进行碳氢活化反应，

在串联反应过程中外加的烯、炔也可以原位生成“导向”的烷基货烯基金属物种。由此，可以将碳氢活化反应分为分子内反应和分子间的反应两大类，分子间碳氢活化反应又可以分为诱导碳氢活化和非诱导直接碳氢活化。

一、铑催化的直接芳基化反应

铑催化芳烃的直接芳基化

铑催化的2-芳基吡啶可以通过螯合辅助与芳基锡试剂高效地完成直接芳基化。

在铑催化的Suzuki-Miyaura类型偶联反应的研究过程中，Miura报道了低毒的四苯基硼盐可以用于亚胺的直接芳基化。不过反应只得到了相当少的单芳基化和双芳基化产物，其原因在于

起始底物的还原是通过连续的铑氢化加成和随后的质子化过程组成。亚胺的还原对于催化循环中氯化铑物种的重生是十分必要的。

铑催化的芳烃的直接芳基化也可以在没有任何导向基团下完成。Itami发现在强的接受体配体[P(OCH(CF3)2]3的存在下，苯甲醚可以同缺电子的碘代芳烃在微波照射下发生直接芳基化。

铑催化杂环化合物的直接芳基化

吲哚、吡咯、呋喃等杂芳烃的分子间直接芳基化反应，占主导地位的是有钯催化完成的。钯催化剂也能够实现多种杂芳烃的直接官能化，甚至在一些底物上比钯催化剂具有更高的催化活性。Bergma和Ellman应用[RhCl(coe)2]2和PCy3组成的催化体系，发展了N-H自由的苯并咪唑同碘代芳烃通过碳化氢的转化高产率地得到芳基化产物，而溴代物和氯化物反应活性较低。

进一步的机理研究表明该反应是通过杂芳烃的互变异构化发生的，其间产生了氮杂卡宾中间体。不过反应产生了大量氢化脱卤的副产物。这种局限性可以通过应用其他磷配体以产生一个高活性热稳定的铑催化剂来解决。不仅使溴代芳烃也可以高产率地发生芳基化，而且还大大减少了配体的用量。很多有价值的官能团例如烯醇化的酮、胺或脂都能被该催化体系所耐受。

2.铑催化的氢化芳化反应

铑催化的芳烃同炔烃的氢化芳化反应的报道目前任然相当有限。主要是由于端炔会发生铑催化的二聚或者三聚反应，内炔则往往在碳氢活化反应中活性很差。尽管如此一些小组成功地发展了杂原子导向的烯基化反应。

2-苯基吡啶在Wilkinson’s催化剂作用下同内炔的发生邻位烯基化反应。

反应的底物范围局限于对称的炔烃：端炔主要产生聚合物，非对称的炔烃只能得到缺乏区域选择性的混合物。不过非对称的一边是大位阻取代基的炔烃如1-三甲基硅-1-丙炔可以获得高区域选择性的单烯基化产物。

二、铁催化碳氢活化反应

铁是地壳中第四丰度元素，含量为56300g/ton。铁在各种生物学的氧化还原反应中扮演了关键的角色，是无毒且环境友好的生物过程中必须得元素。过去的几十年里铁催化已经逐步应用在各种有机转化中，包括偶联反应、环加成反应、骨架重排反应、C-H键的转化和烯烃聚合等。事实上，在许多情况下铁的催化体系比其他过渡金属对反应有着特殊的效果。

Wang报道了端炔、醛与二级胺的三组分反应。作者提出该转化中炔基铁物种的中间体加成到醛和二级胺原位生成的亚胺正离子，增加了底物的亲核性。该反应提供了无需配体得到炔丙基胺的方法。

甲基炔丙基胺也能通过铁催化的二甲基苯胺和端炔的反应合成。Vogel提出三级胺经过氧化物氧化成了亚胺离子，随之被端炔与二氯化铁原位生成的炔基铁物种淬灭。随后，李朝军报道了相同条件下FeCl2催化的二芳基亚甲基和二羧基亚甲基的选择性碳碳键的生成。

过渡金属催化的芳芳键偶联反应是有力的合成工具并且已经广泛的应用于重要的有机分子和天然产物的合成。在各种芳芳键偶联反应中，包含碳氢活化的催化性的直接芳基化是特别有吸引力的，主要因为其提高了效率且几乎没有副反应生成。

氮和氧螯合的官能团常常被用于导向直接芳基化和控制区域选择性。例如酚、酮、胺、羧酸和亚胺已经成功地用于导向钌、铑、钯催化的芳基化反应。利用吡啶作为导向基团，二价钌膦配

合物[RuCl2(n6-C6H6)2]和[RuCl2(p-cymene)2]已经被用作催化剂并且获得了很好的选择性。Shabashov和Daugulis应用醋酸作为溶剂在催化剂Pd(OAc)2存在在发展了无磷配体的吡啶导向芳基化过程。近来Sanford阐述了一种三价碘试剂[Ar2I]BF4是对钯催化的直接芳基化相当有效的芳基化试剂。

在今后的工作中，围绕过渡金属催化的碳氢活化反应进行研究，重点可以开展以下几个方面的工作：

1、 发展新型氧化剂。在过渡金属的碳氢活化反应中，经常需要用到不同的氧化剂以完成催化循环，促进反应的进行，所以选择合适的氧化剂是十分重要的。

2、 发展新的反应类型。开发新的导向基团，设计新的反应类型以拓展碳氢活化反应的范围。

3、 采用适当种类的金属催化剂。不同种类的催化剂进行碳氢活化时对反应有不同的作用，选择合适的金属可以发现新型的碳氢活化反应。

总之，碳氢活化作为现阶段有机化学研究的热门课题，还有很多工作需要做。很多经典的金属催化反应都需要预先将底物活化，而这些反应也肯诺该设计为碳氢活化反应来实现。

参考文献：

1. 氧化碳-氢键活化在构建碳-氧键中的研究，金俊

2. 氧化碳-氢键活化的新偶联反应的开发研究，李艳

3. 合成化学中的“焊接”技术，施章杰，余达刚

4. C（H）-H在过渡金属氧化物上活化的微观机理：DFT研究，傅钢，吕鑫，徐昕，万惠霖

5. 过渡金属促进的醇α-和β-位碳-氢活化/官能团化及碳-碳键连接反应研究，张书宇

6. 过渡金属催化的碳-氢键活化、碳-碳键及碳-氮键连接反应研究，姜毅君

7. 过渡金属催化的碳氢活化反应研究，程凯