南開大學葉萌春團隊：配體錨定的雙金屬(Ni、Al)協同催化

南開大學葉萌春團隊：配體錨定的雙金屬(Ni、Al)協同催化 2022/06/17 11:03

過渡金屬催化C-H和C-C鍵活化一直備受關注，當前使用的主流方法是利用導向基團（DG）輔助過渡金屬活化C-H和C-C鍵。但是，該方法通常需要在底物上預裝特定的導向基，反應結束后，可能要脫除導向基，從而不僅增加了額外的反應步驟，而且降低了反應的經濟性。為了解決這一難題，近年來，南開大學葉萌春課題組（課題組主頁http://www.yechem.cn/）一直致力于發展錨定催化方法來代替傳統的導向活化策略，輔助實現C-H和C-C鍵的選擇性活化。當前，他們在配體橋聯的Ni-Al雙金屬錨定催化方法上取得了一定的進展，通過設計、合成一系列的雙官能化配體，無需預裝導向基，便可實現各類C-H和C-C鍵的活化。其中，膦氧配體（phosphineoxide）是最為重要的一類雙官能化配體，已在多種反應中取得了較為優異的結果。膦氧配體泛指含有P(O)-H結構的三價膦有機物，相比于普通的三芳基或者烷基膦化物，該類膦化物易于合成且在空氣中較為穩定。在合適的條件下，該膦化物的H原子可以從P原子遷移至O原子，形成強配位能力的三取代膦化物，可以用作各類金屬的配體。目前，該團隊已合成了多個骨架系列的膦氧配體（圖1）。

圖1 各類不同骨架的膦氧配體

下面介紹一下葉萌春團隊最近關于膦氧配體的研究成果：

2017年，葉萌春團隊成功利用PO-Ni-Al雙金屬催化劑，實現了低活性的環丙基酰胺與炔烴的[3+2]環加成反應（圖2）^[1]。在消旋反應中，商業可得的二苯基膦氧是最優的配體，可以有效促進烷基或芳基取代的炔烴和環丙基酰胺的環加成反應，以優秀的收率得到各種五元碳環產物。當使用酒石酸酯衍生的膦氧配體PO1時，反應可以獲得高達99%的收率和94%的ee。

圖2 不對稱Ni催化3+2環加成反應

2018年，葉萌春團隊利用PO-Ni-Al雙金屬催化劑實現了苯并咪唑C–H鍵與分子內烯烴的不對稱環化反應（圖3）^[2]。他們發現TADDOL骨架衍生的膦氧配體PO2，可以有效的協調雙金屬催化劑，高對映選擇性地得到exo–選擇性的β手性中心的多環咪唑結構。由于反應活性較高，各種取代的烯烴包括官能化的烯烴底物，以及溴代芳烴底物，都可以被很好地兼容。對于某些挑戰性底物，比如大位阻的烯烴，可以通過提高反應溫度、提高催化劑用量，或外加配體（IPr,PPh3）來提高反應活性。

圖3 不對稱Ni催化C-H環化反應

2020年，葉萌春團隊發現乙二胺衍生的大位阻的PO3配體可以促進苯甲酰胺與炔烴的[4+2]環加成反應（圖4）^[3]。之前無膦氧橋聯的Ni/Al雙金屬催化劑則無法催化此反應，僅導致底物脫羰分解，或者酰基C–H鍵與炔烴發生加成反應。雙功能化的PO3配體橋聯Ni、Al雙金屬催化劑不僅增強了甲酰胺C–H的酸性，而且能有效導向金屬Ni實現C–H氧化加成，并通過形成的環狀過渡態穩定了反應的中間體。

圖4 Ni催化甲酰胺雙C-H鍵的4+2環化反應

隨后，該團隊將雙C-H環化反應模型擴展到N-芳基咪唑（圖5）^[4]。一系列N-芳基咪唑被催化與炔烴反應，得到一系列多環氮雜喹啉。

圖5 Ni催化苯并咪唑雙C-H鍵的4+2環化反應

進一步，針對關于烯酰胺C–H鍵官能化主要局限于相對較高的活性乙烯基C(sp2)–H鍵上，而難以發生在反應性較低的β–C(sp3)–H上的現狀，該團隊使用雙功能化的PO5配體橋聯鎳鋁雙金屬催化劑，實現了首例烯酰胺β–C(sp3)–H與炔烴的[4+2]雙C–H鍵環化反應（圖6）^[5]。

圖6 Ni催化甲烯胺雙C-H鍵的4+2環化反應

同年，葉萌春團隊將反應拓展到二茂鐵甲酰胺與炔烴的不對稱[4+2]環化反應中，設計合成了大位阻BINOL骨架的PO配體，高效地構筑平面手性的二茂鐵吡啶酮衍生物（圖7）^[6]。控制實驗顯示，常用的配體，如單膦配體、雙膦配體、卡賓配體均沒有反應活性，或反應停留在炔烴氫甲酰胺化步驟，得到丙烯酰胺類衍生物。該結果也進一步證實了PO配體協同Ni–Al雙金屬催化劑和簡單Ni–Al雙金屬催化劑具有明顯不同的反應活性和選擇性。

圖7 Ni催化甲酰胺雙C-H鍵的4+2不對稱環化反應

2021年，他們報道了配體控制Ni(0)?Al(III)雙金屬催化2-吡啶烷酮C3-H烯烴化，以較高的收率選擇性合成了一系列2-吡啶烷酮衍生物。雙功能的PO配體聯合Ni-Al雙金屬對區域選擇至關重要，突破了吡啶酮C4和C6位的傳統的選擇性（圖8）^[7]。

圖8 Ni催化吡啶酮C3-H鍵的烯化反應

最近，該團隊報道了PO-Ni-Al雙金屬催化炔烴與β-C-H鍵的氫芳化反應，從而合成了一系列C4-烯基化的2-苯基苯并咪唑衍生物，具有底物范圍廣泛、收率高、化學選擇性出色等特點。值得注意的是，膦氧配位Ni-Al雙金屬催化能夠有效地引導鎳通過七元金屬環進行β-C-H鍵的氫芳化反應，從而避免了高張力四元鎳環的形成（圖9）^[8]。

圖9 Ni催化苯并咪唑C4-H鍵的烯化反應

通過廣泛的應用研究，葉萌春團隊證實了該類膦氧配體是獨特的雙官能化配體，可以很好地橋聯Ni(0)和烷基Al雙金屬，高效催化各類C-H和C-C鍵活化反應，不僅可以獲得好的反應活性和選擇性，而且可以產生傳統膦配體無法實現的新反應性。這些結果顯示，空氣穩定且易于合成的膦氧配體是一類具有特殊功能的三價膦配體，在合適的激活條件下，不僅具備傳統膦配體的各種功能，成為傳統膦配體的完美替代物，而且具備額外的多功能位點，有望為多功能協同催化提供重要的設計平臺。隨著協同催化技術的發展和日益增長的需求，該類配體在有機合成及不對稱催化合成中有望受到越來越多的重視和更加廣泛的應用。

葉萌春教授簡介

葉萌春，南開大學元素有機國家重點實驗室教授，博士生導師。2001年，蘭州大學化學化工學院獲得學士學位，2006年，師從中科院上海有機化學研究所唐勇院士，獲得理學博士學位。2008年，赴美國Universityof North Carolina at Chapel Hill醫學院HengmingKe課題組從事博士后研究，學習結構基礎的藥物設計。2009年，轉赴美國Scripps研究所Jin-QuanYu課題組從事C-H鍵活化研究。2014年受國家青年人才計劃資助，受聘于南開大學化學學院，從事獨立科研工作，主要進行有機合成方法學和不對稱催化研究。在惰性化學鍵活化如C-H和C-C鍵的活化和廉價金屬催化領域開展了原創性研究，提出了底物和配體錨定催化的仿生催化模式，發展了新型膦氧配體協同的Ni-Al雙金屬催化劑，為惰性化學鍵的不對稱催化轉化做出了貢獻。至今在Nat.Chem.,Nat.Comm.,J.Am. Chem. Soc.,Angew.Chem. Int. Ed和CCSChem.等頂級化學期刊發表論文50余篇，總引用2300余次。2017年獲ThiemeChemistry Journal Awards，并先后擔任《中國化學快報》、《中國科學：化學》和《ACSCatalysis》等期刊的青年編委。

參考文獻

下滑查看更多 ↓

1.Q.-S.Liu, D.-Y. Wang, Z.-J. Yang, Y.-X. Luan, J.-F. Yang, J.-F. Li, Y.-G.Pu, M. Ye, Ni–Al Bimetallic Catalyzed EnantioselectiveCycloaddition of Cyclopropyl Carboxamide with Alkyne. J.Am. Chem. Soc.2017,139,18150.

2.Y.-X.Wang, S.-L. Qi, Y.-X. Luan, X.-W. Han, S. Wang, H. Chen, M. Ye. J.Am. Chem. Soc. 2018,140,5360.

3.Y.-X. Wang, F. P. Zhang, Y.-X. Luan, M. Ye, Ligand-Enabled Ni?AlBimetallic Catalysis for Nonchelated Dual C?H Annulation ofArylformamides and Alkynes. Org.Lett.2020,22,2230.

4．S.-L.Qi, Y. Li, J.-F. Li, T. Zhang, Y.-X. Luan, M. Ye, Ni-Catalyzed DualC-H Annulation of Benzimidazoles with Alkynes for Synthesis ofpi-Extended Heteroarenes. Org.Lett.2021,23,4034.

5.R.-H.Wang, J.-F. Li, Y. Li, S.-L. Qi, T. Zhang, Y.-X. Luan, M. Ye. ACSCatal.2021,11,858.

6.H.Chen, Y.-X. Wang, Y.-X. Luan, M. Ye, Enantioselective Twofold C?HAnnulation of Formamides and Alkynes without Built-in ChelatingGroups. Angew.Chem. Int. Ed.2020,59,9428.

7.G. Yin, Y. Li, R.-H. Wang, J.-F. Li, X.-T. Xu,* Y.-X. Luan,* M. Ye,*Ligand-Controlled Ni(0)?Al(III) Bimetal-Catalyzed C3?HAlkenylation of 2?Pyridones by Reversing ConventionalSelectivity. ACSCatal.2021,11,4606.

8.S.-L.Qi, Y.-P. Liu, Y. Li, Y.-X. Luan, M. Ye,* Ni-catalyzed hydroarylationof alkynes with unactivated β-C(sp2)?H bonds. Nat.Commun.2022,13,2938.

樂研相關產品

樂研合作學者：南開大學葉萌春特聘研究員

1166486	1297191	1155765

1297214	1297194	1297195

1297255	1599741	1507676

上一篇：Nano Energy解讀|谷氨酸鈉還能融入電池材料？下一篇：【史無前例】樂研夏天"連續購"，西瓜飲料冰箱送不停！

Select Your Country or Region

南開大學葉萌春團隊：配體錨定的雙金屬(Ni、Al)協同催化 2022/06/17 11:03