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南开大学朱守非团队:新型邻菲啰啉类配体在铁系元素催化反应中的应用 2023/01/18 16:14

过渡金属催化研究的核心内容是发展新配体,因为配体可以改变金属中心的立体电子效应,进而影响反应的进程,是催化活性和选择性控制的关键因素。从某种意义上讲,过渡金属催化剂发展的历史就是一部配体发展史。邻菲啰啉(又称1,10-菲啰啉)由三个六元芳环组成,是一个平面刚性的共轭结构(图1)。其处于刚性平面的双氮配位原子距离合适,可与多种金属配位形成稳定的络合物,另一方面,其特有的杂环芳香共轭体系,可与金属离子通过多重分子轨道相互作用(包括σ-donor、π-donor、π * -acceptor等),增强配体与金属的电子作用,降低体系能量。邻菲啰啉及其衍生物与多种过渡金属的络合物可以高效、高选择性地催化多种有机反应。近十余年来,邻菲啰啉及其衍生物作为配体在铁系元素催化的有机反应中应用愈发广泛,所催化的反应类型日益丰富,而且在一些反应中还表现出非常独特的配体效应。

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图1邻菲啰啉(1,10-菲啰啉)

南开大学朱守非教授团队长期从事催化有机合成化学研究,重点研究了三类“以氢转移”为关键步骤的重要催化有机合成反应:1)发展多种铁系元素催化氢转移反应;2)提出“手性质子梭”概念;3)催化卡宾对硼氢键的插入反应,从而实现了多种重要生物活性分子的高效合成。自2018年以来,朱守非教授团队一直致力于开展开壳层铁系元素催化剂研究,围绕开壳层铁系元素催化剂的自旋态效应这一关键科学问题,以催化剂分子设计为牵引,将传统反应研究与数学物理前沿成果结合,实现开壳层铁系元素催化剂理性设计,成功开发了新型邻菲啰啉类配体,在各种有机反应中实现对贵金属催化剂的替代和超越,包括: 烯烃的硅氢化反应 , 对称硼氢化 / 环化反应 , 端炔和内炔的硅氢加成反应 , 端炔的乙烯基锌化反应 , 氢铝化反应等等, 为功能分子高效合成提供更为绿色和可持续的方案。下面总结了南开大学朱守非团队对于新型邻菲啰啉类配体在铁系元素催化反应中的应用:

01
烯烃的硅氢化反应

2018年,朱守非课题组首次将邻菲啰啉结构用于硅氢化反应配体的设计中,发展了一类2,9-二芳基取代邻菲啰啉配体修饰的铁络合物催化剂,高效地实现了 烯烃的硅氢化反应,表现出如下不同于已有铁催化剂的特点:对苯乙烯给出了马氏加成的选择性;对共轭二烯给出了1,2- 加成的产物和马氏加成的选择性;对内烯的硅氢化表现出很好的活性和未见报道的苄位选择性。此外,该催化剂在脂肪烯烃的硅氢化反应中也表现出很高的活性(转化数高达10000)和反马氏选择性。控制实验表明,邻菲啰啉骨架能够稳定低价铁物种,对其选择性起到了关键作用(图2)。

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图2

2022年, 该课题组发展了简单烯烃反马氏加成选择性的 硅氢化反应,而且还能催化多种共轭二烯发生1,2- 反马氏加成选择性的硅氢化反应。机理研究表明,该反应可能经历了Fe(0)-Fe(II)的催化循环,配体在铁中心构成的极度拥挤的微环境阻碍了共轭二烯和铁中心的螯合配位,促进了硅烷的负氢向共轭二烯中位阻较小的端烯迁移,最终表现出独特的1,2-反马氏加成选择性(图3)。

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图3

02
炔烃的硅氢化反应

2019年,该课题组报道了铁催化的 炔烃的硅氢化反应,为偕二硅烷类化合物的制备提供了一种高效新方法。 该方法使用的Fe催化剂绿色廉价且具备很好的生物相容性,该反应原子经济性100%,区域选择性良好,反应条件温和,原料廉价易得,而且该反应产生的二级偕二硅烷类化合物是之前未曾报导过的,其Si-H键可以经历各种转化,极大的拓展了这类化合物的应用前 景(图4)。

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图4

同年,该课题组又成功将2,9-二芳基-1,10-菲啰啉配体的铁配合物催化剂用于多种 炔烃的硅氢化反应中,表现出很高的催化活性(转化数高达 35500,转化频率高达35.5s -1 )、单一的顺式加成选择性和优异的区域选择性。更有意思的是,该铁催化剂通过简单改变配体 2,9-位芳基取代基就能使反应的区域选择性发生完全逆转。这一现象在铁催化反应中罕有报道,也为理解铁催化剂的工作原理提供了绝佳机会(图5)

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图5

03
不对称硼氢化/环化反应

2020年,该课题组首次尝试并成功实现钴催化1,6- 烯炔的 不对称硼氢化 / 环化反应。一系列O-、N-和C-醚化1,6-烯炔反应生成含手性四氢呋喃、吡咯烷和环戊烷环的烷基和乙烯基硼酸酯,产率适中到较高,对映体选择性良好。进一步的研究,以揭示这种转化的详细机制,并开发其他钴催化的多不饱和底物的不对称氢官能化/环化反应,将是未来工作的主题(图6)。

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图6

04
端炔的锌化反应

2021年,该课题组利用独创的铁催化剂,首次实现了极具挑战的端炔的乙烯基锌化反应,为有机锌试剂和多取代共轭烯烃的合成提供了新的高效的方法。该反应具有非常好的官能团耐受性和底物普适性,被成功用于维生素A等重要生物活性分子的简便合成,显著提高了合成效率(图7)。

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图7

2022年,该课题组成功实现了端炔高活性、高区域选择性和高立体选择性的端炔的 锌化反应,得到顺式,反马氏加成的碳锌化产物。本文发展的铁催化剂和文献中已知催化剂相比,表现出不同的反应性和选择性,官能团耐受性优异,底物适用范围较宽。铁催化剂在该反应的实现中发挥了关键作用,展示了铁催化的巨大潜力(图8 )。

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图8

05
氢铝化反应

2022年,该课题组报道了首例铁催化炔烃的 氢铝化反应,使用2,9- 二芳基-1,10-菲啰啉和铁的配合物催化剂,以常见的商品化的DIBAL-H作为铝试剂,制备了结构多样性丰富的烯基铝试剂,并用于药物中间体的合成。和文献报道的其它金属催化剂相比,本文发展的铁催化剂具有以下优点:底物范围广、官能团耐受性好、选择性高、条件温和等,具有很好的应用潜力。该反应利用C-Al键易于转化的优势,为高选择性地合成多种三取代烯烃提供了高效的合成方法(图9)。

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图9


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朱守非教授,博士生导师


朱守非,南开大学化学学院教授、院长,教育部领军人才项目特聘教授,国家杰出青年基金获得者,国家万人计划领军人才,国家重点研发计划项目负责人。2000年和2005年在南开大学化学学院分别获得理学学士和理学博士学位;2012‒2013年在日本东京大学做博士后;2005年至今在南开大学化学学院工作,2013年晋升为教授。迄今发表研究论文130余篇。曾获国家自然科学一等奖1项(2019年,第3完成人),天津市自然科学一等奖2项(2007年和2013年,均为第3完成人),中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖(2022年),Asian Rising Stars Lectureship Award(2019年),中国化学会青年手性化学奖(2018年),天津青年五四奖章(2016年),Asia Core Program Lectureship Award(2015年),天津青年科技奖(2014年),中国化学会青年化学奖(2012年)等奖项,科学探索奖(2022年)。

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参考文献

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