化學(xué)所在惰性碳?xì)滏I活化研究中取得系列進(jìn)展

　　碳?xì)滏I是一類基本的化學(xué)鍵，存在于幾乎所有的有機(jī)化合物中。碳?xì)滏I的鍵能非常高，碳元素與氫元素的電負(fù)性又很接近，因而碳?xì)滏I的極性很小，這些因素使得碳?xì)滏I具有惰性，在溫和條件下將碳?xì)滏I選擇性催化活化、構(gòu)建其它含碳化學(xué)鍵存在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的雙重挑戰(zhàn)，是化學(xué)研究的一個(gè)基本問題，也是制約分子合成和制備獲得重大突破的瓶頸問題。為了深入研究控制碳?xì)滏I活化轉(zhuǎn)化的物理化學(xué)本質(zhì)，進(jìn)而理性設(shè)計(jì)催化劑，實(shí)現(xiàn)高效、綠色的碳?xì)滏I活化轉(zhuǎn)化，中國科學(xué)院化學(xué)研究所在物理化學(xué)、計(jì)算化學(xué)、有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域布置了研究力量并取得了系列研究進(jìn)展。

　　1. 研制原子團(tuán)簇實(shí)驗(yàn)儀器并成功應(yīng)用于甲烷碳?xì)滏I活化研究

　　甲烷是天然氣的主要成分，甲烷的活化轉(zhuǎn)化具有重大的應(yīng)用需求，然而甲烷分子具有四面體對稱性，其碳?xì)滏I特別穩(wěn)定，因而甲烷在溫和條件下的活化轉(zhuǎn)化是一個(gè)科學(xué)難題?；瘜W(xué)所研究員何圣貴及其合作者從頭設(shè)計(jì)并建立了原子團(tuán)簇制備、化學(xué)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在可控、可重復(fù)、排除外界不確定因素干擾的條件下，測定一系列原子團(tuán)簇與甲烷的反應(yīng)活性，結(jié)合理論化學(xué)計(jì)算，探索發(fā)現(xiàn)能夠活化轉(zhuǎn)化甲烷的關(guān)鍵幾何和電子結(jié)構(gòu)及其性能調(diào)控因素。研究發(fā)現(xiàn)金屬團(tuán)簇上的原子氧自由基可以在室溫條件下有效活化甲烷并產(chǎn)生甲基自由基，該反應(yīng)的活性受到氧自由基局部電荷和自旋的控制（Acc. Chem. Res. 2012, 45, 382-390; Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 2444-2448）；氧化鋁、氧化鈦等團(tuán)簇上的鉑原子或金原子，可以有效活化甲烷，進(jìn)而在載體團(tuán)簇的共同作用下生成甲醛分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9482-9486; Chem. Sci.2016, 7, 4730-4735; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 9437-9443）。

　　金屬中心的氧化加成反應(yīng)是C-H鍵活化的重要方式之一，這類反應(yīng)常常發(fā)生在具有配對價(jià)電子的后過渡金屬體系，特別是貴金屬體系，而前過渡金屬中心價(jià)電子數(shù)目相對少、難配對，因而前過渡金屬體系缺乏甚至完全沒有氧化加成反應(yīng)性。科研人員使用團(tuán)簇質(zhì)譜、團(tuán)簇光電子速度成像譜，結(jié)合合作者陳輝等的高精度理論計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)通過選擇合適的配體，調(diào)控前過渡金屬Nb和Mo的電子結(jié)構(gòu)，能夠顯著降低金屬中心具有配對電子的低自旋態(tài)能級，直接或間接參與碳?xì)滏I的氧化加成反應(yīng)（圖1），實(shí)現(xiàn)甲烷分子在室溫條件下的活化轉(zhuǎn)化（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5760-5764；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4947-4951），該研究工作為非貴金屬替代貴金屬活化碳?xì)滏I提供了理論依據(jù)。

　　2. 構(gòu)建碳?xì)滏I鐵基催化活化新理論和反應(yīng)新體系 

　　鐵是地球乃至宇宙中含量最豐富的過渡金屬，具有廉價(jià)易得、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，鐵基催化廣泛存在于生物體和工業(yè)生產(chǎn)中。在金屬有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，鐵基催化特別是低價(jià)鐵催化活化碳?xì)滏I受到廣泛關(guān)注，但對其反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)性本質(zhì)的認(rèn)識還非常缺乏，這是由于鐵中心體系常具有復(fù)雜的開殼層電子結(jié)構(gòu)以及多個(gè)能量相近的自旋態(tài)，是理論和計(jì)算化學(xué)研究的難點(diǎn)。針對低價(jià)Fe催化活化C(sp2)-H和C(sp3)-H鍵的芳基化反應(yīng)，利用密度泛函與耦合簇方法相結(jié)合的計(jì)算化學(xué)策略，化學(xué)所研究員陳輝及其合作者提出了二態(tài)反應(yīng)性圖像（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)：（1）二價(jià)Fe和三價(jià)Fe都能以s-鍵復(fù)分解的模式，通過在反應(yīng)物端的低自旋激發(fā)態(tài)介導(dǎo)碳?xì)滏I的活化；（2）在碳?xì)滏I活化后，反應(yīng)中的二鹵代烴氧化劑通過單電子轉(zhuǎn)移（SET）的機(jī)理將二價(jià)Fe氧化為三價(jià)Fe，三價(jià)Fe的形成對后續(xù)C-C偶聯(lián)過程的順利發(fā)生必不可少；（3）在三價(jià)Fe促發(fā)的還原消除C-C偶聯(lián)過程之后，反應(yīng)中的二鹵代烴氧化劑繼續(xù)通過SET機(jī)理將生成的一價(jià)Fe氧化再生為二價(jià)或三價(jià)Fe，與SET相比，雙電子參與的氧化加成過程在能量上是不利的；（4）整個(gè)催化循環(huán)中，F(xiàn)e的氧化態(tài)演化過程為Fe(II)/Fe(III)/Fe(I)或Fe(III)/Fe(I)，配體具有穩(wěn)定高活性的低自旋態(tài)Fe物種的作用（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3715-3730）。 

　　針對低價(jià)的多核鐵催化的碳?xì)浠罨磻?yīng)，化學(xué)所研究員王從洋、陳輝及其合作者通過合成化學(xué)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算化學(xué)理論模擬相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了羰基鐵催化的N-H亞胺與炔烴的氧化還原中性[4+2]環(huán)化反應(yīng)，高效生成順式3,4-二氫異喹啉化合物。該反應(yīng)不需要任何額外添加的堿、配體或其他添加物，體現(xiàn)了完美的原子經(jīng)濟(jì)性。催化機(jī)理研究表明，羰基鐵-鐵間的雙核協(xié)同催化是實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的關(guān)鍵因素，為多核金屬催化碳?xì)滏I活化開辟了新的方向（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5268-5271）。 

　　3. 碳?xì)滏I錳族金屬催化活化反應(yīng)新體系 

　　金屬錳具有來源豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但目前錳的金屬有機(jī)化學(xué)研究主要局限于當(dāng)量反應(yīng)。如何提高有機(jī)錳化合物的反應(yīng)活性，控制其反應(yīng)的選擇性，特別是構(gòu)建完整的錳催化循環(huán)是該領(lǐng)域研究的挑戰(zhàn)性難題。化學(xué)所研究員王從洋及其合作者采用有機(jī)分子與錳族金屬協(xié)同及雙金屬協(xié)同等策略，發(fā)展了一系列錳族金屬催化的C-H鍵活化轉(zhuǎn)化新反應(yīng)，展示了其不同于其他過渡金屬的獨(dú)特反應(yīng)性（圖3）：（1）采用錳催化劑和有機(jī)分子—二環(huán)己基胺的組合，發(fā)展了錳/胺協(xié)同脫質(zhì)子的C-H活化新模式；通過錳配體間質(zhì)子轉(zhuǎn)移及分子內(nèi)炔基輔助錳實(shí)現(xiàn)C-H活化等關(guān)鍵步驟，構(gòu)建了完整的錳催化循環(huán)；同時(shí)，用計(jì)算化學(xué)方法驗(yàn)證了此催化循環(huán)的合理性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 134, 1264-1267）；（2）使用錳族金屬與主族金屬的雙金屬連續(xù)催化策略，實(shí)現(xiàn)了苯甲酰胺和炔烴的中性[4+2]環(huán)化反應(yīng)；通過反應(yīng)條件的調(diào)控，可以高非對映選擇性分別得到順-3,4-二氫異喹啉酮和反-3,4-二氫異喹啉酮化合物，體現(xiàn)了該催化體系高度的靈活性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4628-4631）；（3）發(fā)展了錳催化的N-H亞胺與炔烴的[4+2]環(huán)化反應(yīng)高效生成異喹啉化合物；與已有過渡金屬催化的C-H活化合成異喹啉方法不同，該反應(yīng)的副產(chǎn)物是氫氣，具有很高的原子經(jīng)濟(jì)性（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4950-4953）；（4）利用錳/鎂雙金屬體系將四氫呋喃形式上轉(zhuǎn)化為1-丁醇-4-卡賓的等量體，其同時(shí)與親電試劑（亞胺/腈）和親核試劑（格氏試劑）反應(yīng)，構(gòu)建了同碳上兩個(gè)新的C-C鍵，從而高效制備了1,5-氨基醇或1,5-酮醇化合物（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6558-6561）；（5）通過錳催化劑與路易斯酸的雙重活化策略，實(shí)現(xiàn)了惰性C(sp2)−H鍵對醛和腈的“格氏型”親核加成反應(yīng)；該反應(yīng)條件溫和，具有很好的區(qū)域選擇性和立體選擇性，同時(shí)底物適用范圍廣泛，具有良好的官能團(tuán)容忍性（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13659-13663）。

圖1 一氧化碳解離吸附調(diào)控Mo金屬中心的自旋態(tài)，實(shí)現(xiàn)甲烷的活化轉(zhuǎn)化

圖2 低價(jià)鐵催化活化碳?xì)滏I的二態(tài)反應(yīng)性圖像

圖3 新型錳族金屬催化體系的建立及其活化碳?xì)滏I的獨(dú)特反應(yīng)性