化学所在惰性碳氢键活化研究中取得系列进展

　　碳氢键是一类基本的化学键，存在于几乎所有的有机化合物中。碳氢键的键能非常高，碳元素与氢元素的电负性又很接近，因而碳氢键的极性很小，这些因素使得碳氢键具有惰性，在温和条件下将碳氢键选择性催化活化、构建其它含碳化学键存在热力学和动力学的双重挑战，是化学研究的一个基本问题，也是制约分子合成和制备获得重大突破的瓶颈问题。为了深入研究控制碳氢键活化转化的物理化学本质，进而理性设计催化剂，实现高效、绿色的碳氢键活化转化，中国科学院化学研究所在物理化学、计算化学、有机化学领域布置了研究力量并取得了系列研究进展。

　　1. 研制原子团簇实验仪器并成功应用于甲烷碳氢键活化研究

　　甲烷是天然气的主要成分，甲烷的活化转化具有重大的应用需求，然而甲烷分子具有四面体对称性，其碳氢键特别稳定，因而甲烷在温和条件下的活化转化是一个科学难题。化学所研究员何圣贵及其合作者从头设计并建立了原子团簇制备、化学反应和结构表征实验系统，在可控、可重复、排除外界不确定因素干扰的条件下，测定一系列原子团簇与甲烷的反应活性，结合理论化学计算，探索发现能够活化转化甲烷的关键几何和电子结构及其性能调控因素。研究发现金属团簇上的原子氧自由基可以在室温条件下有效活化甲烷并产生甲基自由基，该反应的活性受到氧自由基局部电荷和自旋的控制（Acc. Chem. Res. 2012, 45, 382-390; Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 2444-2448）；氧化铝、氧化钛等团簇上的铂原子或金原子，可以有效活化甲烷，进而在载体团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）。

　　金属中心的氧化加成反应是C-H键活化的重要方式之一，这类反应常常发生在具有配对价电子的后过渡金属体系，特别是贵金属体系，而前过渡金属中心价电子数目相对少、难配对，因而前过渡金属体系缺乏甚至完全没有氧化加成反应性。科研人员使用团簇质谱、团簇光电子速度成像谱，结合合作者陈辉等的高精度理论计算研究，发现通过选择合适的配体，调控前过渡金属Nb和Mo的电子结构，能够显著降低金属中心具有配对电子的低自旋态能级，直接或间接参与碳氢键的氧化加成反应（图1），实现甲烷分子在室温条件下的活化转化（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5760-5764；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4947-4951），该研究工作为非贵金属替代贵金属活化碳氢键提供了理论依据。

　　2. 构建碳氢键铁基催化活化新理论和反应新体系 

　　铁是地球乃至宇宙中含量最丰富的过渡金属，具有廉价易得、环境友好等优点，铁基催化广泛存在于生物体和工业生产中。在金属有机化学领域，铁基催化特别是低价铁催化活化碳氢键受到广泛关注，但对其反应机理和反应性本质的认识还非常缺乏，这是由于铁中心体系常具有复杂的开壳层电子结构以及多个能量相近的自旋态，是理论和计算化学研究的难点。针对低价Fe催化活化C(sp2)-H和C(sp3)-H键的芳基化反应，利用密度泛函与耦合簇方法相结合的计算化学策略，化学所研究员陈辉及其合作者提出了二态反应性图像（图2）。研究发现：（1）二价Fe和三价Fe都能以s-键复分解的模式，通过在反应物端的低自旋激发态介导碳氢键的活化；（2）在碳氢键活化后，反应中的二卤代烃氧化剂通过单电子转移（SET）的机理将二价Fe氧化为三价Fe，三价Fe的形成对后续C-C偶联过程的顺利发生必不可少；（3）在三价Fe促发的还原消除C-C偶联过程之后，反应中的二卤代烃氧化剂继续通过SET机理将生成的一价Fe氧化再生为二价或三价Fe，与SET相比，双电子参与的氧化加成过程在能量上是不利的；（4）整个催化循环中，Fe的氧化态演化过程为Fe(II)/Fe(III)/Fe(I)或Fe(III)/Fe(I)，配体具有稳定高活性的低自旋态Fe物种的作用（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3715-3730）。 

　　针对低价的多核铁催化的碳氢活化反应，化学所研究员王从洋、陈辉及其合作者通过合成化学实验和计算化学理论模拟相结合，实现了羰基铁催化的N-H亚胺与炔烃的氧化还原中性[4+2]环化反应，高效生成顺式3,4-二氢异喹啉化合物。该反应不需要任何额外添加的碱、配体或其他添加物，体现了完美的原子经济性。催化机理研究表明，羰基铁-铁间的双核协同催化是实现该反应的关键因素，为多核金属催化碳氢键活化开辟了新的方向（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5268-5271）。 

　　3. 碳氢键锰族金属催化活化反应新体系 

　　金属锰具有来源丰富、价格便宜等优点，但目前锰的金属有机化学研究主要局限于当量反应。如何提高有机锰化合物的反应活性，控制其反应的选择性，特别是构建完整的锰催化循环是该领域研究的挑战性难题。化学所研究员王从洋及其合作者采用有机分子与锰族金属协同及双金属协同等策略，发展了一系列锰族金属催化的C-H键活化转化新反应，展示了其不同于其他过渡金属的独特反应性（图3）：（1）采用锰催化剂和有机分子—二环己基胺的组合，发展了锰/胺协同脱质子的C-H活化新模式；通过锰配体间质子转移及分子内炔基辅助锰实现C-H活化等关键步骤，构建了完整的锰催化循环；同时，用计算化学方法验证了此催化循环的合理性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 134, 1264-1267）；（2）使用锰族金属与主族金属的双金属连续催化策略，实现了苯甲酰胺和炔烃的中性[4+2]环化反应；通过反应条件的调控，可以高非对映选择性分别得到顺-3,4-二氢异喹啉酮和反-3,4-二氢异喹啉酮化合物，体现了该催化体系高度的灵活性（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4628-4631）；（3）发展了锰催化的N-H亚胺与炔烃的[4+2]环化反应高效生成异喹啉化合物；与已有过渡金属催化的C-H活化合成异喹啉方法不同，该反应的副产物是氢气，具有很高的原子经济性（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 4950-4953）；（4）利用锰/镁双金属体系将四氢呋喃形式上转化为1-丁醇-4-卡宾的等量体，其同时与亲电试剂（亚胺/腈）和亲核试剂（格氏试剂）反应，构建了同碳上两个新的C-C键，从而高效制备了1,5-氨基醇或1,5-酮醇化合物（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6558-6561）；（5）通过锰催化剂与路易斯酸的双重活化策略，实现了惰性C(sp2)−H键对醛和腈的“格氏型”亲核加成反应；该反应条件温和，具有很好的区域选择性和立体选择性，同时底物适用范围广泛，具有良好的官能团容忍性（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13659-13663）。

图1 一氧化碳解离吸附调控Mo金属中心的自旋态，实现甲烷的活化转化

图2 低价铁催化活化碳氢键的二态反应性图像

图3 新型锰族金属催化体系的建立及其活化碳氢键的独特反应性