化學所在惰性碳氫鍵活化研究中取得系列進展

　　碳氫鍵是一類基本的化學鍵，存在于幾乎所有的有機化合物中。碳氫鍵的鍵能非常高，碳元素與氫元素的電負性又很接近，因而碳氫鍵的極性很小，這些因素使得碳氫鍵具有惰性，在溫和條件下將碳氫鍵選擇性催化活化、構(gòu)建其它含碳化學鍵存在熱力學和動力學的雙重挑戰(zhàn)，是化學研究的一個基本問題，也是制約分子合成和制備獲得重大突破的瓶頸問題。為了深入研究控制碳氫鍵活化轉(zhuǎn)化的物理化學本質(zhì)，進而理性設計催化劑，實現(xiàn)高效、綠色的碳氫鍵活化轉(zhuǎn)化，中國科學院化學研究所在物理化學、計算化學、有機化學領(lǐng)域布置了研究力量并取得了系列研究進展。

　　1. 研制原子團簇實驗儀器并成功應用于甲烷碳氫鍵活化研究

　　甲烷是天然氣的主要成分，甲烷的活化轉(zhuǎn)化具有重大的應用需求，然而甲烷分子具有四面體對稱性，其碳氫鍵特別穩(wěn)定，因而甲烷在溫和條件下的活化轉(zhuǎn)化是一個科學難題?；瘜W所研究員何圣貴及其合作者從頭設計并建立了原子團簇制備、化學反應和結(jié)構(gòu)表征實驗系統(tǒng)，在可控、可重復、排除外界不確定因素干擾的條件下，測定一系列原子團簇與甲烷的反應活性，結(jié)合理論化學計算，探索發(fā)現(xiàn)能夠活化轉(zhuǎn)化甲烷的關(guān)鍵幾何和電子結(jié)構(gòu)及其性能調(diào)控因素。研究發(fā)現(xiàn)金屬團簇上的原子氧自由基可以在室溫條件下有效活化甲烷并產(chǎn)生甲基自由基，該反應的活性受到氧自由基局部電荷和自旋的控制（Acc. Chem. Res. 2012, 45, 382-390; Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 2444-2448）；氧化鋁、氧化鈦等團簇上的鉑原子或金原子，可以有效活化甲烷，進而在載體團簇的共同作用下生成甲醛分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9482-9486; Chem. Sci.2016, 7, 4730-4735; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9437-9443）。

　　金屬中心的氧化加成反應是C-H鍵活化的重要方式之一，這類反應常常發(fā)生在具有配對價電子的后過渡金屬體系，特別是貴金屬體系，而前過渡金屬中心價電子數(shù)目相對少、難配對，因而前過渡金屬體系缺乏甚至完全沒有氧化加成反應性?？蒲腥藛T使用團簇質(zhì)譜、團簇光電子速度成像譜，結(jié)合合作者陳輝等的高精度理論計算研究，發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的配體，調(diào)控前過渡金屬Nb和Mo的電子結(jié)構(gòu)，能夠顯著降低金屬中心具有配對電子的低自旋態(tài)能級，直接或間接參與碳氫鍵的氧化加成反應（圖1），實現(xiàn)甲烷分子在室溫條件下的活化轉(zhuǎn)化（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5760-5764；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4947-4951），該研究工作為非貴金屬替代貴金屬活化碳氫鍵提供了理論依據(jù)。

　　2. 構(gòu)建碳氫鍵鐵基催化活化新理論和反應新體系 

　　鐵是地球乃至宇宙中含量最豐富的過渡金屬，具有廉價易得、環(huán)境友好等優(yōu)點，鐵基催化廣泛存在于生物體和工業(yè)生產(chǎn)中。在金屬有機化學領(lǐng)域，鐵基催化特別是低價鐵催化活化碳氫鍵受到廣泛關(guān)注，但對其反應機理和反應性本質(zhì)的認識還非常缺乏，這是由于鐵中心體系常具有復雜的開殼層電子結(jié)構(gòu)以及多個能量相近的自旋態(tài)，是理論和計算化學研究的難點。針對低價Fe催化活化C(sp2)-H和C(sp3)-H鍵的芳基化反應，利用密度泛函與耦合簇方法相結(jié)合的計算化學策略，化學所研究員陳輝及其合作者提出了二態(tài)反應性圖像（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)：（1）二價Fe和三價Fe都能以s-鍵復分解的模式，通過在反應物端的低自旋激發(fā)態(tài)介導碳氫鍵的活化；（2）在碳氫鍵活化后，反應中的二鹵代烴氧化劑通過單電子轉(zhuǎn)移（SET）的機理將二價Fe氧化為三價Fe，三價Fe的形成對后續(xù)C-C偶聯(lián)過程的順利發(fā)生必不可少；（3）在三價Fe促發(fā)的還原消除C-C偶聯(lián)過程之后，反應中的二鹵代烴氧化劑繼續(xù)通過SET機理將生成的一價Fe氧化再生為二價或三價Fe，與SET相比，雙電子參與的氧化加成過程在能量上是不利的；（4）整個催化循環(huán)中，F(xiàn)e的氧化態(tài)演化過程為Fe(II)/Fe(III)/Fe(I)或Fe(III)/Fe(I)，配體具有穩(wěn)定高活性的低自旋態(tài)Fe物種的作用（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3715-3730）。 

　　針對低價的多核鐵催化的碳氫活化反應，化學所研究員王從洋、陳輝及其合作者通過合成化學實驗和計算化學理論模擬相結(jié)合，實現(xiàn)了羰基鐵催化的N-H亞胺與炔烴的氧化還原中性[4+2]環(huán)化反應，高效生成順式3,4-二氫異喹啉化合物。該反應不需要任何額外添加的堿、配體或其他添加物，體現(xiàn)了完美的原子經(jīng)濟性。催化機理研究表明，羰基鐵-鐵間的雙核協(xié)同催化是實現(xiàn)該反應的關(guān)鍵因素，為多核金屬催化碳氫鍵活化開辟了新的方向（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5268-5271）。 

　　3. 碳氫鍵錳族金屬催化活化反應新體系 

　　金屬錳具有來源豐富、價格便宜等優(yōu)點，但目前錳的金屬有機化學研究主要局限于當量反應。如何提高有機錳化合物的反應活性，控制其反應的選擇性，特別是構(gòu)建完整的錳催化循環(huán)是該領(lǐng)域研究的挑戰(zhàn)性難題?；瘜W所研究員王從洋及其合作者采用有機分子與錳族金屬協(xié)同及雙金屬協(xié)同等策略，發(fā)展了一系列錳族金屬催化的C-H鍵活化轉(zhuǎn)化新反應，展示了其不同于其他過渡金屬的獨特反應性（圖3）：（1）采用錳催化劑和有機分子—二環(huán)己基胺的組合，發(fā)展了錳/胺協(xié)同脫質(zhì)子的C-H活化新模式；通過錳配體間質(zhì)子轉(zhuǎn)移及分子內(nèi)炔基輔助錳實現(xiàn)C-H活化等關(guān)鍵步驟，構(gòu)建了完整的錳催化循環(huán)；同時，用計算化學方法驗證了此催化循環(huán)的合理性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 134, 1264-1267）；（2）使用錳族金屬與主族金屬的雙金屬連續(xù)催化策略，實現(xiàn)了苯甲酰胺和炔烴的中性[4+2]環(huán)化反應；通過反應條件的調(diào)控，可以高非對映選擇性分別得到順-3,4-二氫異喹啉酮和反-3,4-二氫異喹啉酮化合物，體現(xiàn)了該催化體系高度的靈活性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4628-4631）；（3）發(fā)展了錳催化的N-H亞胺與炔烴的[4+2]環(huán)化反應高效生成異喹啉化合物；與已有過渡金屬催化的C-H活化合成異喹啉方法不同，該反應的副產(chǎn)物是氫氣，具有很高的原子經(jīng)濟性（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4950-4953）；（4）利用錳/鎂雙金屬體系將四氫呋喃形式上轉(zhuǎn)化為1-丁醇-4-卡賓的等量體，其同時與親電試劑（亞胺/腈）和親核試劑（格氏試劑）反應，構(gòu)建了同碳上兩個新的C-C鍵，從而高效制備了1,5-氨基醇或1,5-酮醇化合物（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6558-6561）；（5）通過錳催化劑與路易斯酸的雙重活化策略，實現(xiàn)了惰性C(sp2)−H鍵對醛和腈的“格氏型”親核加成反應；該反應條件溫和，具有很好的區(qū)域選擇性和立體選擇性，同時底物適用范圍廣泛，具有良好的官能團容忍性（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13659-13663）。

圖1 一氧化碳解離吸附調(diào)控Mo金屬中心的自旋態(tài)，實現(xiàn)甲烷的活化轉(zhuǎn)化

圖2 低價鐵催化活化碳氫鍵的二態(tài)反應性圖像

圖3 新型錳族金屬催化體系的建立及其活化碳氫鍵的獨特反應性