张新刚课题组在金属二氟卡宾化学研究中取得进展

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中国科学院上海有机化学研究所有机氟化学重点实验室张新刚课题组和美国加州洛杉矶分校的Kendall N. Houk课题组合作，首次通过钯金属完成了二氟卡宾亲核与亲电反应性调控并可调控地用于有机合成中，实现了对二氟卡宾的“驾驭”。通过钯金属的价态调控，使亲核和亲电型钯二氟卡宾（[Pd]=CF2）共存于同一反应体系中，并能够控制催化循环选择性生成不同反应产物。该工作近期发表在《自然-化学》上（Nature Chemistry，DOI：10.1038/s41557-019-0331-9）。张新刚和Kendall N. Houk为共同通讯作者，中科院上海有机所博士生付夏平和Kendall N. Houk课题组访问学者薛小松为共同第一作者，其中Kendall N. Houk和薛小松负责理论计算部分，上海有机所为第一通讯单位。

　　二氟卡宾是重要的化工中间体，其制备路线成熟，被大量用于合成含氟材料，如特氟龙。从有机合成路线设计上来看，如果二氟卡宾具有类似于传统非氟卡宾中间体的反应多样性，将会是一个重要的合成子，被广泛应用于高效合成具有特殊性能、结构各异的含氟医药、农药和材料分子。然而，二氟卡宾固有的高亲电性却使其反应类型相当有限，并且其活泼的反应性使二氟卡宾很难应用于可控的有机合成反应。因此，如何“驯服”并“驾驭”二氟卡宾这匹“野马”，通过反应性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的一个挑战性问题。

　　从理论上分析，过渡金属同二氟卡宾络合后将会改变二氟卡宾的电子云分布，从而为其反应性调控提供可能性。但是，已知分离的过渡金属二氟卡宾络合物都表现出反应惰性，金属二氟卡宾参与的催化循环反应鲜有报道，业界缺乏相关理论的认识和理解，以至于一直没有实现将金属二氟卡宾利用到已经广泛应用的催化偶联反应中。直到2016年，张新刚课题组利用钯作为催化剂开创了首例金属二氟卡宾参与的催化偶联反应（MeDIC）（Org. Lett. 2016, 18, 44），并实现了首例大宗廉价氟化工原料——氯二氟甲烷的高效催化转化（Nature Chemistry 2017, 9, 918）。

　　在上述研究基础上，该课题组首次利用改变中心过渡金属价态实现二氟卡宾反应性的调控，使二氟卡宾在不同的金属价态下具有亲核或亲电反应性，进而实现不同含氟化合物的催化可控性合成。基于这一概念，他们利用钯作为催化剂，以简单易得的BrCF2PO(OEt)2作为二氟卡宾前体，实现了对芳基硼酸化合物的选择性氟烷基化；通过对反应条件的精细调控，可以实现四种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类化合物。该系列金属二氟卡宾参与的可控性催化偶联反应，官能团兼容性优秀，可以对复杂医药和农药分子进行选择性后期氟修饰，并可以一锅法同时合成不同含氟化合物，为新药研发提供了高效简便方法。结合基元反应、计算化学以及关键金属反应中间体的分离研究表明，亲核和亲电型的[Pd]=CF2物种均同时存在于反应体系中；其中他们首次分离了零价钯二氟卡宾络合物[Pd0]=CF2，并证明了其具有高度亲核性，可以与水分子发生质子化反应。这是目前发现的唯一一个可以与水发生质子化的金属二氟卡宾物种。而二价钯二氟卡宾络合物[PdII]=CF2则具有亲电性，可以与水发生水解反应生成CO。该系列发现为钯二氟卡宾参与的催化偶联反应奠定了重要理论基础，为理解其他金属二氟卡宾化学提供了新的视角，也为二氟卡宾反应性的调控开辟了新的路径。

　　该研究得到国家自然科学基金委和中科院战略性先导科技专项(B类)的资助。

张新刚，上海有机所研究员，1998年毕业于四川大学应用化学系，2003年获中科院上海有机所理学博士学位，之后在美国伊利诺伊大学香槟分校化学系Wilfred A. van der Donk教授课题组从事博士后及研究助理。2008年5月回国任上海有机所创新岗位副研究员，课题组长，2012年1月起任研究员（所聘百人计划）。获得2014年国家杰出青年科学基金资助，曾获Thieme Chemistry Journal Award （2014），英国皇家化学会氟化学奖，第五届中国化学会—英国皇家化学会青年化学家奖（2015），和“万人计划”科技创新领军人才（2017）等。主要从事金属有机氟化学和与有机氟化学相关的化学生物学领域的研究。

二氟卡宾是一种活泼的反应中间体，可以实现多种化学反应，如X-H键(X = O, N, S等)的插入反应、重键的[2+1]环加成等。寻找高效二氟卡宾试剂、发现新颖二氟卡宾反应是有机氟化学的一个重要研究方向。