徐立平课题组在铜催化的C(sp2)-H键官能化反应机理方面的系统性研究工作

tianliang

近期，我院徐立平老师课题组与美国Emory大学Musaev教授和Scripps研究所余金权教授课题组合作，在ACS Catalysis（SCI一区TOP期刊，IF: 13.08）上以“Unified Mechanistic Concept of the Copper-Catalyzed and Amide-Oxazoline-Directed C(sp2)−H Bond Functionalization”为题发表了在铜催化的C(sp2)-H键官能化反应机理方面的系统性研究工作。

       过渡金属催化的C-H键活化反应因其原子和步骤经济性而成为有机合成的重要工具之一。然而，目前多使用贵金属（如Pd, Rh等）催化，限制了其大规模应用。因此开发廉价过渡金属（如Fe,Co,Ni,Cu等）催化的C-H键活化反应成为现今的研究热点。Yu等人近年来开发了一系列Cu催化的、噁唑啉配体导向的C(sp2)-H键官能化反应，在选择性构筑含新的C-C、C-N、以及C-O键的化合物中发挥重要应用。然而该系列反应的机理尚不明确，影响选择性和反应活性的因素也不清晰。由于第一周期过渡金属具有多种可变的价态，机理复杂多变，目前针对第一周期过渡金属催化的C-H键官能化反应的理论研究较少。为了深入理解该系列反应的详细机理，我们对Yu等人报道的一系列Cu催化的、噁唑啉配体导向的C(sp2)-H键官能化反应进行了系统的密度泛函理论计算研究。
       研究结果表明，这一系列反应经过共同的N-H键活化和C-H键活化过程，然后发生Cu(II)/Cu(II)到Cu(I)/Cu(III)的歧化过程，形成三价Cu中间体。之后反应机理根据偶联试剂的不同分为三类：当试剂上不含有酸性氢时（如R-Bpin），反应发生负电性的硼酸与Cu(III)配位，进而发生协同的转金属化和还原消除构筑C-X键（称为Type-I反应）；当试剂上含有酸性氢时（如ArNH2, H2O等），先经历试剂的去质子化过程，然后再与Cu(III)中心配位，最后发生还原消除生成产物（称为Type-II反应）；当试剂为TMS-CF3时，反应介于Type-I和Type-II机理中间，也即先发生与碱的交换生成CF3负离子，再与Cu(III)配位发生还原消除而生成产物。我们对于铜催化的芳基C(sp2)-H键官能化反应（包括烯基化、芳基化、三氟甲基化、胺化、炔基化、水解等）的系统研究和对机理的归类将促进人们进一步开发高效、高选择性的廉价过渡金属催化的C-H键官能化反应。
         参考文献：Xu, L.-P. et al, ACS Catal. 2021, 11, 12620-12631
        原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03776

      文章来源：山东理工大学
      徐立平博士，2016年7月毕业于北京大学，专业：物理化学，获得理学博士学位，师从吴云东院士和Olaf Wiest教授。主要从事化学反应机理及其选择性的理论研究。2016年7月加入山东理工大学化学化工学院，到目前为止，已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Adv. Syn. Cat., J. Org. Chem.等国际知名刊物发表及合作发表论文十余篇；主持国家自然科学基金青年基金，山东理工大学博士启动基金等多项课题。