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元素有机化学国家重点实验室(南开大学)

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研究成果

【陈弓、何刚团队】逆“能”而上:非导向选择性亚甲基C–H键杂芳环化

发布单位:元素有机化学国家重点实验室   发布时间:2019/01/04    浏览次数:215次

      尽管C–H键官能团化可提供一种简洁且有效的转化方式,但如何实现对不同类型C–H键的选择性官能团化,依然是有机合成化学家目前所面临的一个重要挑战。为解决C-H键官能团化中的选择性问题,过渡金属催化的导向基策略提供了一种可靠的方法。其不仅能够有效提高惰性C-H键的反应活性,还能很好地解决C-H键官能团化反应的区域选择性问题。但是除须引入额外导向基团外,因受限于反应中间体的特定结构,过渡金属催化的导向基策略往往只能活化特定位点的C-H键。与之不同,基于键能的差别,自由基化学则提供了一种非导向的C–H键选择性官能团化方法。经由自由基历程,往往可选择性实现分子中键能较低的C–H键的官能团化,而不触及键能较高的C–H键。虽然尝试选择性实现键能较高的C–H键的官能团化反应已见少量报道,但以上报道往往受到诸多限制,如:1) 反应选择性差;2) 底物结构往往较特殊,反应受限性大;3) 无法实现C-C成键反应等。因此,在分子中存在键能较低的C–H键情况下,如何高效地选择性实现键能较高的C–H键的官能团化并构筑新的C-C键,是自由基化学目前亟待解决的一个难题。


      近日,南开大学陈弓、何刚研究团队报道了可见光引发下的非导向选择性亚甲基C–H键杂芳环化反应。作者采用高价碘试剂“全氟羟基苯并碘氧杂戊环”(perfluorinated hydroxybenziodoxole, PFBI-OH)作为氧化剂和Ru(bpy)3Cl2 (0.25 mol%)为光敏剂,成功实现了高选择性的亚甲基C–H键官能团化反应,顺利将多种缺电子含氮芳杂环直接引入至各种烷烃类分子结构中。

逆“能”而上:可见光引发下的选择性亚甲基C–H键杂芳环化反应


      该工作的创新性主要体现在:在无导向基策略下,首次实现了高选择性的亚甲基C–H键与缺电子杂芳环的交叉脱氢偶联反应。在该温和反应条件下,多种复杂碳氢化合物中的亚甲基C–H键均可成功地实现选择性杂芳环化。鉴于含氮芳杂环结构片段广泛存在于生物活性分子及药物中,此方法提供了一种新颖的“后期官能团化”策略,可用于制备使用以往方法难以获得的复杂分子。


可见光引发下的选择性亚甲基C–H键杂芳环化反应代表性实例


      实验及机理研究表明:1) 该体系对亚甲基C–H键的位置选择性受到底物结构(吸电子诱导效应和位阻效应)的影响;2) 氧化剂PFBI-OH中酯羰基邻位的氟原子对反应选择性有重要的影响;3) 体系中即使生成少量的三级碳自由基(PFBI•作用于次甲基C-H),也会被很快氧化成三级碳正离子而无法发生与芳杂环的加成反应(相关工作详见该研究团队已发表的论文:Chem. Sci., 2017, 8, 7180)。



反应机理图示


      总体来讲,可见光引发下惰性亚甲基C–H键的选择性杂芳环化反应被成功实现。相关工作于近期发表在ACS Catalysis 上,文章第一作者是南开大学李国兴博士。


Photoredox-Mediated Minisci-type Alkylation of N-Heteroarenes with Alkanes with High Methylene Selectivity。

ACS Catal., 2018, 8, 11847−11853, DOI: 10.1021/acscatal.8b04079。


科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:我们团队一直致力于发展简洁、高效的C-H官能团化方法,通过自由基化学实现这一目标是我们团队的一个重要研究方向。基于前期的研究工作(高价碘试剂介导的可见光引发下Minisci烷基化反应和选择性三级C-H羟基化/氨基化),我们发现了环状高价碘试剂的一些新颖的反应特性。因此我们尝试通过对环状高价碘试剂进行必要的结构修饰,以期实现高效的选择性C-H官能团化反应。


Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:本项研究中最大的挑战是如何选择性地实现惰性C-H官能团化,尤其是在分子中存在多种类型C-H时。尽管自由基化学在解决烷基C-H官能团化中展示了优良的选择性,但现有方法往往只能选择性针对键能较低或者活化的C-H键(如,三级C-H,苄位C-H,α-N/O C-H等)。因此如何突破自由基化学在C-H官能团化中的”热力学偏好”,做到逆“能“而上,是目前自由基化学研究的难点和挑战。虽然有少量报道可以实现亚甲基C-H的选择性官能团化,但反应往往选择性差且底物适用范围受限。此外,实现亚甲基C-H的选择性官能团化以构筑新的C-C键的方法仍未见报道。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:本研究可以选择性地实现亚甲基C-H的杂芳环化。经由碳氢化合物和含氮杂芳环的交叉脱氢偶联,快速实现对复杂烷烃类碳氢化合物/含氮芳杂环结构片段的选择性修饰,尤其在生物活性分子或者药物分子的后期官能团化反应中可获得以往方法难以制备的分子,因此我们相信该研究成果将为新型药物和农药分子的筛选、发现提供重要的技术支持。