西湖大学石航团队成果入选《美国化学会志》论文选集

2021-10-15 17:27:33 来源:西湖大学 作者: 编辑:胡蕾
  20世纪50年代,利用过渡金属与芳香环配位生成过渡金属-芳香环配合物的芳香环“活化”方式诞生了;然而由于该活化方式难以被发展成为有效的催化反应,自2000年以来,该领域的相关研究工作逐步陷入了停滞。
  2020年,西湖大学理学院石航团队在过渡金属配位催化芳香化合物活化领域的研究方面取得突破,从设计新型催化剂的角度出发,发展了一类hemilabile动态双齿配体,为过渡金属配位活化芳香化合物带来了成功案例,“唤醒”了这个“沉睡”中的研究领域。
  近日,该成果入选了《美国化学会志》(Journal of American Chemical Society,简称JACS)“Virtual Issue of Outstanding Work Published in 2020 by Early Career Investigators”特选论文集。

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  (图片来源于期刊Journal of the American Chemical Society)

  该论文集为JACS的年度选集,从前一年发表在JACS期刊上的科研论文中选出,旨在突出全球范围内各化学分支领域中,由处于科研早期阶段的“年轻”课题组(独立工作7-8年以内)所完成的重要研究发现。

  2020年,JACS共发表了2000余篇论文;最终,27篇重点论文入选了该文集——有机化学领域的入选论文共4篇,石航课题组的论文“Ru(II)-Catalyzed Amination of Aryl Fluorides via η6-Coordination”正是其中之一。

  JACS副主编,密歇根大学化学系Melanie Sanford教授如是评价这项工作的重要性:“该工作通过钌对芳基氟化物的η6配位活化,实现了以芳氟作为限制性试剂的芳环亲核取代反应。该历程以稳定金属配合物催化的形式实现。作者设计的半稳定配体解决了(催化反应中存在的)挑战性难题。”  芳香化合物,是一类早期从煤焦油或者天然胶中分离得到的具有芳香性气味的有机分子,例如重要的化工原料苯和甲苯。作为基础分子物质,芳香化合物被广泛应用于食品、医药、制造、化工等行业,与我们的生活息息相关。比如,在医药行业中,约80%的药物分子含有芳香环结构(芳香化合物具有特征性的芳香环)。

  为了将芳香化合物转化为更具附加价值的化学品和目标功能分子,化学家们专注于开发普适性的工具——化学反应,以对芳香环进行化学修饰和转化。20世纪,化学家们发现过渡金属(如钯,镍等)在温和的条件下,能够与芳基卤化物(如碘苯)生成活泼的芳基金属物种。该芳基金属物种能够与一系列偶联试剂发生反应,生成结构各异的衍生物。

  基于这一发现,化学家们建立了过渡金属催化的交叉偶联策略,并逐步开发了一系列芳香环化学修饰反应。这些反应成为化学合成/修饰芳香化合物最为有力的武器;其中,钯催化的交叉偶联反应获得了2010年的诺贝尔化学奖。近20年间,过渡金属通过直接“切断”芳香环上碳氢键的方法,成为继交叉偶联之后又一个研究热点,大量的催化反应被化学家们开发出来。

  过渡金属对芳香环的“活化”方式可以分为两类:一类是过渡金属对芳香环上的碳卤、碳氢等键进行选择性切断生成活性芳基金属物种,即上文所述过渡金属催化的偶联反应的关键步骤。另一类是过渡金属(如铬,锰,钌,铑等)通过与芳香环形成配位键,生成过渡金属-芳香环配合物。后一类配位活化方式可追溯至20世纪50年代,当时也是化学发展的一个黄金期。遗憾的是,芳香环配位活化方式难以被发展成为催化反应;因缺少成功案例来支撑该领域的发展,相关的研究工作从2000年起近乎停滞。

  西湖大学石航研究团队致力于建立过渡金属催化的芳香环配位活化策略,在解决该领域重要化学挑战的同时,为芳香环化学修饰提供新的契机。此次,被JACS编辑选进“Virtual Issue of Outstanding Work Published in 2020 by Early Career Investigators”的工作,正是石航研究团队在西湖大学第一项研究成果。文章的第一作者为石航实验室副研究员康麒凯博士,通讯作者为石航。


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  (图片来源于期刊Journal of the American Chemical Society)


  该工作从设计新型催化剂的角度出发,发展了一类hemilabile双齿配体;通过与过渡金属钌(ruthenium,Ru)结合,可以有效地催化氟代芳烃胺化反应。hemilabile配体具有的弱配位边臂促进了芳香环与过渡金属催化剂的可逆配位,显著地提升了催化效率,首次将该类反应的氟代芳烃底物使用量降低到可应用层面。该研究成果为过渡金属配位活化芳香化合物提供了新的催化案例,为该研究领域的发展重新燃起了希望。


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  a. η6配位活化面临的挑战;b. 通过hemilabile配体促进芳环交换;c. hemilabile配体促进的钌催化芳基氟SNAr 胺化反应。

  在此工作基础上,石航团队在近期发现过渡金属铑(rhodium,Rh)催化剂可以催化氟代芳烃的羟基化反应。此前300度高温下无法发生的反应,在[Cp*Rh(III)]催化剂的作用下得以进行,将氟代芳烃转化为高附加值的苯酚类产物(2021年发表在期刊Angewandte Chemie International Edition,文章共同第一作者为康麒凯博士和蔺云志博士研究生)。在反应机理研究中,石航团队在低温下分离得到了反应中间体,证明了化学家对于该类反应长久以来的推测。


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  (图片来源于期刊Angewandte Chemie International Edition)


  目前,团队其他相关研究工作在进行之中,有望进一步将过渡金属对芳香环的配位活化发展成为体系化的催化方法,为芳香化合物的化学合成与修饰开辟一条新的途径。

  文章信息:


  1. Ru(II)-Catalyzed Amination of Aryl Fluorides via η6-Coordination.

  Qi-Kai Kang, Yunzhi Lin, Yuntong Li, and Hang Shi*.

  J. Am. Chem. Soc.2020,142, 3706–3711.

  链接:
  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13684


  2. Catalytic SNAr Hydroxylation and Alkoxylation of Aryl Fluorides.

  Qi-Kai Kang†,Yunzhi Lin†, Yuntong Li, Lun Xu, Ke Li, and Hang Shi* (†Qi-Kai Kang and Yunzhi Lin contributed equally)

  Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20391–20399.

  链接:
  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202106440


  石航课题组长期招收博士后、博士研究生和进行短期研究项目的访问学习本科生。简历请投递至shihang@westlake.edu.cn。

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  石航课题组


  石航主页:https://www.westlake.edu.cn/academics/School_of_Science/xkjs/Chemistry/Our_Faculty/202006/t20200617_5921.shtml



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