化学化工学院王晨副教授与国外高校在过渡金属催化有机合成方面合作研究取得重要成果

　　过渡金属催化有机反应是现代有机合成化学中的重要组成，几十年来得到了化学家们的密切的关注，取得了许多令人瞩目的成果。其中，Ru催化的烯烃复分解反应、Pd催化的交叉偶联反应分别获得2005年、2010年的Nobel化学奖。然而，过渡金属催化剂主要使用的是陆地上稀有的第二行和第三行过渡金属。近年来，我院王晨副教授与新加坡南洋理工大学和日本东北大学的Yoshikai教授课题组展开合作，以地球上富含的廉价3d过渡金属Co为催化剂，应用于炔烃的功能化反应，取得了一系列研究成果，在Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、ACS catalysis等国际顶级权威期刊上发表多篇高水平学术论文。

　　2020年6月，研究团队在Journal of the American Chemical Society杂志上发表了题为《Cobalt/Lewis Acid Catalysis for Hydrocarbofunctionalization of Alkynes via Cooperative C−H Activation》的文章，发展了一种由钴-二膦配合物和路易斯酸（LA，如 AlMe3）组成的催化体系，可以通过实现对路易斯碱性的缺电子底物（如甲酰胺、吡啶酮、吡啶和相关嗪、咪唑 [ 1,2-a] 吡啶和唑衍生物）的位点选择性的C—H 活化，而实现对炔烃的氢羰基功能化。与已知的用于类似转化的 Ni/LA 催化系统相比，该催化体系的特色在于一方面使用了廉价且实验室稳定的预催化剂和配体如 Co(acac)3和1,3-双(二苯基膦)丙烷 (dppp)，而且对吡啶酮和吡啶衍生物的C—H活化显示出与Ni催化体系不同的位点选择性。特别是首次实现了吡啶的完全 C4 选择性烯基化。同时，该催化系统还可以选择性的对咪唑并 [1,2-a] 吡啶衍生物实现C5 选择性烯基化。通过DFT计算对 Co/ AlMe3催化的N,N-二甲基甲酰胺对炔烃的加成反应机理研究表明，该反应经历配体到配体氢转移 (ligand-to-ligand hydrogen transfer, LLHT) 生成烯基（氨基甲酰基）钴中间体的历程进行，甲酰胺的羰基 C—H键的裂解是反应的决速步骤。

　　2021年2月，研究团队在Angewandte Chemie International Edition杂志上发表了题为《Robust Cobalt Catalyst for Nitrile/Alkyne [2+2+2] Cycloaddition: Synthesis of Polyarylpyridines and Their Mechanochemical Cyclodehydrogenation to Nitrogen-Containing Polyaromatics》的文章，发展了一种基于碘化钴（II），1,3-双（二苯基膦基）丙烷和锌的简单廉价的催化体系，可促进各种腈和二芳基乙炔的[2+2+2]环加成反应，从而合成一系列多芳基吡啶。DFT机理研究表明反应依次经历两个炔烃氧化偶联、腈插入钴环戊二烯中间体和C‐N还原消除。反应获得的四芳基和五芳基吡啶通过机械化学辅助的还原性脱氢环化，可以合成全新的含氮多环芳烃。

　　2022年3月，研究团队在ACS catalysis杂志上发表了题为《Cobalt-Catalyzed Carbo- and Hydrocyanation of Alkynes via C−CN Bond Activation》的文章，发展了钴催化的通过有机氰化物的 C-CN 键断裂发生的炔烃的碳氰基化和氢氰基化反应。研究发现，通过用 Zn 还原生成的低价钴-二膦催化剂可以实现反式选择性的炔烃的芳基氰基化。相比之下，向该催化体系中添加 Zn(OTf) 2不仅可以加速转化，而且改变了立体选择性，最后得到顺式的芳基氰化产物。该催化体系对于使用烯基氰化物的烯基氰化以及使用丙腈作为 HCN 替代物的转移氢氰基化都非常行之有效。机理实验揭示了生成活性钴催化剂的长诱导期、立体选择性的动力学控制以及芳基-CN键活化步骤的性质。DFT计算对芳基氰化的机理研究表明，反应历程包含了芳基−CN的氧化加成、炔烃插入Co−芳基键和烯基−CN还原消除。其中烯基（氰基）钴中间体的顺式/反式异构化可能先于还原消除发生。在Co-dppp体系中，顺式/反式异构化较容易发生，和顺式和反式产物的还原消除途径相互竞争。而Zn(OTf)2的加入则可以通过稳定过渡态降低C−CN还原消除的活化能，从而使顺式芳基氰化途径更加有利。

　　2023年3月，研究团队在Angewandte Chemie International Edition杂志上发表了题为《Site-Selective C−H Alkenylation of N-Heteroarenes by Ligand-Directed Co/Al and Co/Mg Cooperative Catalysis》的文章，发展了使用Co/Al和Co/Mg双金属催化剂和膦/仲氧化膦双功能配体（PSPO），催化 N-杂芳烃与炔烃的位点选择性 C-H 烯基化反应。吡啶、吡啶酮和咪唑并 [1,2- a ]吡啶在靠近路易斯碱性氮或氧的C-H位点都能被有效地烯基化。DFT计算表明C-H活化历程是配体到配体氢转移 (ligand-to-ligand hydrogen transfer, LLHT)。

　　王晨副教授是上述系列论文的共同通讯作者，负责课题中的DFT计算部分，威尼斯官网是论文[1]、[2]、[4]的第二单位，论文[3]的第四单位。部分工作得到了浙江省自然科学基金（LY18B020007）的支持。

　　近期发表的相关文章：

　　[1]Cobalt/Lewis Acid Catalysis for Hydrocarbofunctionalization of Alkynes via Cooperative C−H Activation. J. Am. Chem. Soc. 2020, 42, 12878-12889.

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c06412

　　[2]Robust Cobalt Catalyst for Nitrile/Alkyne [2+2+2] Cycloaddition: Synthesis of Polyarylpyridines and Their Mechanochemical Cyclodehydrogenation to Nitrogen-Containing Polyaromatics. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9627-9634.

　　论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202017220

　　[3]Cobalt-Catalyzed Carbo- and Hydrocyanation of Alkynes via C−CN Bond Activation. ACS Catal. 2022, 12, 4054−4066.

　　论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c00181

　　[4]Site-Selective C−H Alkenylation of N-Heteroarenes by Ligand-Directed Co/Al and Co/Mg Cooperative Catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202301006.

　　论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202301006

　　作者简介：

　　王晨，现为88038威尼斯化学化工学院副教授。2010年12月毕业于中国科学技术大学，获得理学博士学位。主要从事的研究方向是理论与计算有机化学，已发表SCI论文20多篇，主持国家和省级项目各一项。

文字：廖庆 编辑：严许媖