謝勁課題組在基於錳催化的轉金屬化基元反應取得系列進展

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用廉價的過渡金屬催化劑替代貴金屬催化劑是解決未來自然資源問題緊缺的一個很好選擇。錳是地殼中含量排第三位的過渡金屬，價格便宜，環境危害小。但由於其較低的催化活性，錳催化參與的許多金屬有機化學的基本科學問題仍屬於空白領域，涉及金屬有機化學基元反應性質等科學問題仍不明確，如Mn(I)參與的轉金屬化、氧化加成、遷移插入等。導致錳催化發展緩慢的主要因素是大多數低價態錳催化劑，特別是一價的Mn(CO)5Br催化劑穩定性較高，反應活性較低。為此，低價態錳催化仍面臨著反應類型偏少、催化效率偏低、配體效應不明確等諸多挑戰。

芳基硼酸具有特異的反應活性、穩定性、易得性、易操作性，是一類非常重要並有著廣泛合成應用的芳基源。由於非螯合的多羰基芳基錳化合物活性非常高，容易發生分子內的遷移重排反應；而高價錳催化劑容易與芳基硼酸發生單電子氧化形成相應的芳基自由基。為此，錳催化的芳基硼酸在有機合成中的應用仍然是錳催化領域的一大挑戰。南京大學化學化工學院謝勁（點擊查看介紹）課題組獨闢蹊徑，利用橋聯的三中心四電子雙核錳提高催化活性，實現了有機硼酸的高效轉金屬化，並成功應用於不飽和化學鍵的可控遷移插入過程，為研究金屬錳參與的基元反應提供了新例證（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12906；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 8430；Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 12789；Chin. J. Chem., 2020, DOI: 10.1002/CJOC.202000376）。相關論文發表後，得到了國內外同行的關注，在Synfacts、Synlett和《有機化學》上進行亮點介紹。

2018年，謝勁課題組通過雙核錳催化實現了非對稱共軛二炔的選擇性芳基化反應，該反應也是第一例錳催化芳基硼酸的轉金屬化反應並應用於共軛雙炔高選擇性遷移插入的過程（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12906）。反應在兼具優異的區域、化學和立體選擇性之時，還具有非常好的官能團兼容性與普適性，為共軛烯炔的高效合成提供了新方法。著名金屬有機化學家Vollhardt, K. Peter邀請在Synlett上以SYNPACTS文章類型進行亮點介紹。

然而該類反應的區域選擇性和反應活性很大程度上仍然依賴於取代基的電子和空間效應，脂肪族丙炔醇只能得到混合的區域選擇性產物，同時空間受阻的底物不能反應。為此，開發一種更高效、位置可預測的炔烴氫芳基化反應體系仍是一難點。γ-芳基三級烯丙醇是通用的合成複雜分子結構的模塊，經常存在於具有重要生物學意義的分子中。謝勁課題組設想利用市售的芳基硼酸實現三級炔丙醇的γ-選擇性芳基化反應，巧妙構建γ-芳基三級烯丙醇。經過系統條件篩選，發現反應體系中加入一定量的水作為添加劑可以提高反應效率（15 min-2 h），利用炔丙醇自身的位阻效應，改變了反應的區域選擇性，成功構建出常規策略難以製備的多取代的叔烯丙醇產物，克服了Pd和Rh等貴金屬beta-O消除難題，用廉價金屬實現了貴金屬難以實現的催化轉化（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 12789）。該策略可成功應用於一系列複雜分子的精準後期修飾，不受官能團、取代基和電子效應的影響並可成功應用於Bervastatin藥物分子的合成中。評審人對該合成策略給予高度評價「This method is very practical because 1) the protocols are simple, and 2) the conditions are mild which cause high functional group compatibility.」

對於Pd、Rh催化劑，通過轉金屬化、遷移插入實現與缺電子烯烴共軛加成已成為金屬有機催化的重要手段。而在Mn(I)催化中，只有高度缺電子的不飽和酯類、酮類和腈類才是有效的底物，與活性較低的不飽和醯胺的共軛加成尚未實現。基於課題組建立的芳基硼酸轉金屬化原理，謝勁課題組通過DFT計算進一步明確了芳基錳物種的反應活性，發現Ar-Pd(II)更傾向於親電性質，而Ar-Rh(III) 和Ar-Mn(I)更傾向於親核性質，從本質上揭示了Ar-Mn（I）物種的化學屬性。該課題組設想能否使用缺電子烯烴的電子效應來匹配遷移插入過程的電子效應，從而有效降低插入過程中的能量勢壘。基於此設想，謝勁課題組實現了不飽和烯醯胺的高選擇性氫芳化和氫烯基化（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 8430）。這也代表著首例廉價錳催化的烯基硼酸參與的化學鍵形成反應，極大豐富了反應種類。文章在線發表後，國際著名金屬有機化學家，多倫多大學Mark Lautens教授迅速在Synfacts期刊上以「1,2-Difunctionalization of Unsaturated Amides Using Manganese Catalysis to Form C–C Bonds」為題進行亮點介紹，充分肯定了該項工作的重要性。

未活化內烯的區域可控選擇性官能團化是過渡金屬催化領域中的前沿研究難點。常規策略是引入喹啉胺類導向基來實現較好的區域選擇性，但是需要導向基的引入與移除，從而降低了反應的官能團兼容性。強極性、弱配位的伯醯胺是常見的一類官能團，但是對大多數金屬催化體系的兼容性較差。例如，2018年，Engle研究小組發現伯醯胺類底物在Ni催化體系中只能得到少許目標產物（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 17878）。謝勁課題組基於前期工作以及對雙核錳催化的興趣和進一步研究，近日實現了錳催化非活化內烯的高選擇性氫芳化和氫烯基化（Chin. J. Chem., 2020, DOI: 10.1002/CJOC.202000376）。非常有趣的是，即便反應體系中有不同種類的不飽和化學鍵，伯醯胺可以作為內在官能團實現優異的定位能力，而活性更高的末端烯烴則不會發生反應。除了伯醯胺，仲醯胺和叔醯胺也可以很好的兼容，當反應底物中含有多種內部烯烴時，反應也可以精確選擇在醯胺的γ-位。文章在Chin. J. Chem.期刊在線發表後，被編輯團隊遴選為Breaking Report欄目發表，並獲新和成中國化學創新獎。

總結

謝勁課題組發展了一種高效的雙錳催化劑，可用於烯烴和炔烴的芳基化反應，具有操作簡單、官能團相容性好等特點，對各種重要的官能團都具有很好的耐受性。實驗數據表明，雙錳催化劑在同等條件下比常規單核錳具備更好的催化活性。這種基於錳轉金屬化基元反應的發現對研究錳的催化性質具有重要意義，詳細機理研究也在持續進行中。

上述研究工作得到了江蘇省傑出青年基金、江蘇省雙創人才計劃、南京大學登峰人才支持計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等經費的資助。感謝化學化工學院和配位化學國家重點實驗室在謝勁課題組建設初期提供的大力支持。

導師介紹

謝勁

https://www.x-mol.com/university/faculty/49884