上海有机所等在金属二氟卡宾化学研究中取得进展

  发布日期:  2019-11-12 17:43:56    

张新刚与中国科学院上海有机化学研究所有机氟化物化学重点实验室肯德尔·胡克(kendall n. houk)的研究团队合作,首次完成了通过钯金属对二氟卡宾亲核和亲电反应性的调控,并可以受控方式用于有机合成,从而实现了对二氟卡宾的“控制”。通过钯金属的价态调节,亲核和亲电钯二氟卡宾([pd]=cf2)共存于同一个反应体系中,可以控制催化循环,选择性地生成不同的反应产物。这项工作最近发表在《自然化学》(DOI: 10.1038/S 41557-019-0331-9)上。张新刚和肯德尔·胡克是来文的共同提交人。上海计算机科学研究所博士生傅夏萍和胡克研究小组访问学者薛宋啸是这封信的共同作者。胡克和薛宋啸负责理论计算。上海计算机科学研究所是第一个通信单位。

二氟卡宾是一种重要的化学中间体。其制备路线成熟,广泛用于合成含氟材料,如特氟隆(Teflon)。从有机合成路线设计的角度来看,如果二氟卡宾具有与传统的非氟卡宾中间体相似的反应多样性,它将是一种重要的合成子,广泛用于高效合成具有特殊性质和不同结构的含氟药物、农药和材料分子。然而,二氟卡宾固有的高亲电性使得其反应类型非常有限,并且其活性反应性使得难以将二氟卡宾应用于可控的有机合成反应。因此,如何“驯服”和“驾驭”“野马”二氟卡宾,并通过反应调控实现其在有机合成中的广泛应用,一直是有机氟化学中一个具有挑战性的问题。

理论上,与二氟卡宾络合的过渡金属会改变二氟卡宾的电子云分布,从而为其反应性调节提供了可能。然而,已知分离的过渡金属二氟卡宾络合物都显示出反应惰性,并且很少报道金属二氟卡宾参与的催化循环反应。该行业缺乏对相关理论的理解和理解,因此金属二氟卡宾尚未用于已被广泛使用的催化偶联反应。直到2016年,张新刚的研究团队发现了第一个医学博士(组织。Lett.2016,18,44),涉及使用钯作为催化剂的金属二氟卡宾,并实现了氯二氟甲烷的第一次高效催化转化(自然化学2017,9,918),氯二氟甲烷是大量廉价的氟化学原料。

在上述研究的基础上,研究组首次通过改变中心过渡金属的价态实现了二氟卡宾反应性的调节,使得二氟卡宾在不同的金属价态下具有亲核或亲电反应性,从而实现了不同含氟化合物的催化可控合成。基于这一概念,他们使用钯作为催化剂,brcf2po(oet)2作为二氟卡宾前体,实现芳基硼酸化合物的选择性氟烷基化。四种含氟化合物的受控合成,包括二氟甲基、四氟乙基芳族化合物、芳基二氟甲基和芳基四氟乙基酮化合物,可以通过精细控制反应条件来实现。该系列金属二氟卡宾参与可控的催化偶联反应,具有优异的官能团相容性,可对复杂的药物和农药分子进行选择性的后氟修饰,并可通过一锅法同时合成不同的含氟化合物,为新药研发提供了一种高效简单的方法。结合元素反应、计算化学和关键金属反应中间体的分离,表明亲核和亲电[pd]=cf2物种同时存在于反应体系中。其中,他们首次分离出零价二氟卡宾钯配合物[pd0]=cf2,并证明其具有高度亲核性,能与水分子质子化。这是迄今为止发现的唯一能与水质子化的金属二氟卡宾物种。然而,二价二氟卡宾钯配合物[pdii]=cf2是亲电的,可以用水水解生成一氧化碳,这一系列发现为二氟卡宾钯的催化偶联反应奠定了重要的理论基础,为理解其他金属二氟卡宾的化学提供了新的视角,也为二氟卡宾反应性的调节开辟了新的途径。

该研究由中国国家自然科学基金和中国科学院战略试点科技项目(乙级)资助。

图:基于二氟卡宾钯反应性调节的芳基硼酸可控催化氟烷基化

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