【人物与科研】中山大学柯卓锋教授课题组：非双功能外层机理策略实现酮和醇的高效C-烷基化

导语

“借氢”反应已经成为了合成化学中一种非常有效的合成方法。为C-C键和C-N键的形成提供了一种新的绿色合成方法。为了成功实现“借氢”反应，基于双功能外层机理和亚稳配体的内层机理策略一直是近年来该研究领域的热点。然而，双功能位点或亚稳配体臂的引入通常面临着合成困难、空气敏感、价格昂贵等缺点。相反的，基于非双功能外层机理策略的研究报道却非常少。最近，中山大学柯卓锋教授课题组通过实验和理论计算相结合的研究方法，借助特异的非双功能外层机理策略，成功实现了高效催化酮和醇的 “借氢”C-烷基化反应（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b03030）。

柯卓锋教授简介

柯卓锋，中山大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。日本京都大学 FIFC Fellow，国家留学基金，2012 年获中山大学“百人计划”，2015 年获得广东省自然科学杰出青年和“广东特支”百千万工程青年拔尖等人才计划等。研究兴趣主要集中仿生双功能催化领域，通过理论和实验相结合，研究催化分子转化的新策略、新机理和新方法，进行理性的催化剂精准设计，探索其在可再生能源与可持续化学等方面的应用。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.、Chem. Sci.、ACS. Catal.、Org. Lett.、Chem. Commun. 等期刊发表论文近80余篇。目前从事的主要研究方向：1. 理论计算精准催化剂设计；2. 可再生催化与合成新方法；3.可再生能源、可再生资源与材料。

柯卓锋教授课题组合影

前沿科研成果

非双功能外层机理策略实现酮和醇的高效C-烷基化

在合成化学中，“借氢”反应是一种非常经济、绿色的合成方法。因其具有原子经济性、原料廉价易得、副产物绿色环保、反应无需额外的氧化剂或还原剂等优点，是一种非常有潜力的可持续绿色催化反应，一直以来都受到科研工作者的广泛关注。近年来，基于双功能外层机理和亚稳配体的内层机理策略一直是该研究领域的热点。然而，双功能位点或亚稳臂膀的引入通常面临着合成困难、空气敏感、价格昂贵等缺点。相反的，基于非双功能外层机理策略的研究报道却非常少（图一）。

图一：“借氢”反应中的设计策略

（来源：Organic Letters）

最近，柯卓锋教授课题组通过实验和理论计算相结合的研究方法，成功实现了一种基于非双功能的外层机理策略高效催化酮和醇的烷基化反应（图二）。

图二：过渡金属催化酮和醇的烷基化反应

（来源：Organic Letters）

作者通过DFT理论计算研究发现，与传统的含膦配体相比，双齿氮杂环卡宾锰(I)配合物的金属氢对a,b-不饱醛酮中间体具有更好的加氢性能（图三），有潜力达成更高效的“借氢”反应。

图三：锰(I)系金属氢中间体加氢的DFT理论计算预测

（来源：Organic Letters）

作者利用双齿氮杂环卡宾锰(I)配合物对苯乙酮和苯甲醇的模板反应进行了反应条件优化，反应在最优条件下以91%的收率得到目标产物。与其它报道的双功能锰(I)催化体系相比（125-140 ^oC, 18-24 h），非双功能外层机理策略的双齿氮杂环卡宾锰(I)可以在110 ^oC、2 h条件下迅速完成C-烷基化反应。

为了探索该方法的底物适用性，作者对含有各种官能基团的酮、醇底物进行了考察（图四）。许多富电子和缺电子苯乙酮、苯甲醇都是合适的底物，包括卤素、醚和杂环等一系列官能团的酮、醇，甚至包括大位阻的邻取代苯乙酮、苯甲醇等。

图四：酮和醇底物适用范围研究

（来源：Organic Letters）

之后，作者将该方法应用到Friedländer环化反应的研究（图五）。发现该反应也具有很好的底物适用性。对于多种含有各种官能基团的苯乙酮底物都能获得良好的产率。

图五：Friedländer环化反应的底物适用性范围研究

（来源：Organic Letters）

最后，通过控制实验及DFT理论计算，作者提出了一种非双功能的外层机理（图六）。DFT结果表明，外源性质子的辅助可以有利于该体系的脱氢过程。该研究结果为非贵金属催化剂的设计提供了重要的新思路。

图六：可能的反应机理

（来源：Organic Letters）

该研究成果近期发表在Organic Letters上（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b03030），中山大学柯卓锋教授和广东工业大学刘艳副教授为通讯作者，论文第一作者为博士生兰小兵和博士生叶宗仁（论文作者：Xiao-Bing Lan, Zongren Ye, Ming Huang, Jiahao Liu, Yan Liu, Zhuofeng Ke）。该研究得到了国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、广东特支计划等的资助。

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