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上海有機(jī)所等在金屬二氟卡賓化學(xué)研究中取得進(jìn)展

儀表研發(fā) 2019年09月24日 11:17:01來源:上海有機(jī)化學(xué)研究所 21019
摘要中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所有機(jī)氟化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張新剛課題組和美國加州洛杉磯分校Kendall N. Houk課題組合作,實(shí)現(xiàn)了對二氟卡賓的“駕馭”。

  【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所有機(jī)氟化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張新剛課題組和美國加州洛杉磯分校Kendall N. Houk課題組合作,通過鈀金屬完成了二氟卡賓親核與親電反應(yīng)性調(diào)控并可調(diào)控地用于有機(jī)合成中,實(shí)現(xiàn)了對二氟卡賓的“駕馭”。通過鈀金屬的價(jià)態(tài)調(diào)控,使親核和親電型鈀二氟卡賓([Pd]=CF2)共存于同一反應(yīng)體系中,并能夠控制催化循環(huán)選擇性生成不同反應(yīng)產(chǎn)物。該工作近期發(fā)表在《自然-化學(xué)》(Nature Chemistry)上(DOI:10.1038/s41557-019-0331-9)。張新剛和Kendall N. Houk為共同通訊作者,上海有機(jī)所博士生付夏平和Houk課題組訪問學(xué)者薛小松為共同作者,其中Houk和薛小松負(fù)責(zé)理論計(jì)算部分,上海有機(jī)所為通訊單位。
 
  二氟卡賓是重要的化工中間體,其制備路線成熟,被大量用于合成含氟材料,如特氟龍。從有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)上來看,如果二氟卡賓具有類似于傳統(tǒng)非氟卡賓中間體的反應(yīng)多樣性,將會是一個(gè)重要的合成子,被廣泛應(yīng)用于合成具有特殊性能、結(jié)構(gòu)各異的含氟醫(yī)藥、農(nóng)藥和材料分子。然而,二氟卡賓固有的高親電性卻使其反應(yīng)類型相當(dāng)有限,并且其活潑的反應(yīng)性使二氟卡賓很難應(yīng)用于可控的有機(jī)合成反應(yīng)。因此,如何“馴服”并“駕馭”二氟卡賓這匹“野馬”,通過反應(yīng)性調(diào)控實(shí)現(xiàn)其在有機(jī)合成中的廣泛應(yīng)用,一直是有機(jī)氟化學(xué)中的一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。
 
  從理論上分析,過渡金屬同二氟卡賓絡(luò)合后將會改變二氟卡賓的電子云分布,從而為其反應(yīng)性調(diào)控提供可能性。但是,已知分離的過渡金屬二氟卡賓絡(luò)合物都表現(xiàn)出反應(yīng)惰性,金屬二氟卡賓參與的催化循環(huán)反應(yīng)鮮有報(bào)道,業(yè)界缺乏相關(guān)理論的認(rèn)識和理解,以至于一直沒有實(shí)現(xiàn)將金屬二氟卡賓利用到已經(jīng)廣泛應(yīng)用的催化偶聯(lián)反應(yīng)中。直到2016年,張新剛課題組利用鈀作為催化劑發(fā)現(xiàn)了首例金屬二氟卡賓參與的催化偶聯(lián)反應(yīng)(MeDIC)(Org. Lett. 2016, 18, 44),并實(shí)現(xiàn)了首例大宗廉價(jià)氟化工原料——氯二氟甲烷的催化轉(zhuǎn)化(Nature Chemistry 2017, 9, 918)。
 
  在上述研究基礎(chǔ)上,該課題組利用改變中心過渡金屬價(jià)態(tài)實(shí)現(xiàn)二氟卡賓反應(yīng)性的調(diào)控,使二氟卡賓在不同的金屬價(jià)態(tài)下具有親核或親電反應(yīng)性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同含氟化合物的催化可控性合成。基于這一概念,他們利用鈀作為催化劑,以簡單易得的BrCF2PO(OEt)2作為二氟卡賓前體,實(shí)現(xiàn)了對芳基硼酸化合物的選擇性氟烷基化;通過對反應(yīng)條件的精細(xì)調(diào)控,可以實(shí)現(xiàn)四種含氟化合物的可控性合成,包括二氟甲基、四氟乙基芳香化合物、芳基二氟甲基以及芳基四氟乙基酮類化合物。該系列金屬二氟卡賓參與的可控性催化偶聯(lián)反應(yīng),官能團(tuán)兼容性,可以對復(fù)雜醫(yī)藥和農(nóng)藥分子進(jìn)行選擇性后期氟修飾,并可以一鍋法同時(shí)合成不同含氟化合物,為新藥研發(fā)提供了簡便方法。結(jié)合基元反應(yīng)、計(jì)算化學(xué)以及關(guān)鍵金屬反應(yīng)中間體的分離研究表明,親核和親電型的[Pd]=CF2物種均同時(shí)存在于反應(yīng)體系中;其中他們分離了零價(jià)鈀二氟卡賓絡(luò)合物[Pd0]=CF2,并證明了其具有高度親核性,可以與水分子發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)。這是目前發(fā)現(xiàn)的一個(gè)可以與水發(fā)生質(zhì)子化的金屬二氟卡賓物種。而二價(jià)鈀二氟卡賓絡(luò)合物[PdII]=CF2則具有親電性,可以與水發(fā)生水解反應(yīng)生成CO。該系列發(fā)現(xiàn)為鈀二氟卡賓參與的催化偶聯(lián)反應(yīng)奠定了重要理論基礎(chǔ),為理解其他金屬二氟卡賓化學(xué)提供了新的視角,也為二氟卡賓反應(yīng)性的調(diào)控開辟了新的路徑。
 
  該研究得到國家自然科學(xué)基金委和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)的資助。

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