梁勇课题组在芳烃远程C–H键官能团化研究中取得系列进展

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芳烃官能团化中的位点选择性控制是合成化学中的一个经典课题。Friedel和Crafts揭示了芳香亲电取代反应的固有选择性，即亲电试剂将进攻给电子取代基的邻位和对位，而在更苛刻的条件下亲电试剂也可进攻吸电子取代基的间位。近年来化学家们发现，导向策略可以打破这种底物固有的选择性限制。近十几年来，芳烃的邻位（ortho）选择性官能团化取得了许多进展。由于邻位C–H键距离导向基团很近，反应过程中底物与催化剂容易形成五元或六元环状过渡态；不过，芳烃的间位（meta）和对位（para）C–H键远离导向基团，反应活性相似且彼此相邻，因此实现它们的选择性官能团化更为困难。随着C–H活化研究的发展，化学家通过在底物分子中安装具有特定长度和取向的模板，与过渡金属催化剂组成大环番状结构的过渡态来实现芳烃远程的官能团化。但是，这些方法有需要化学计量的复杂模板、针对不同官能团化需要设计合成不同的模板、需要预安装和后期去模板步骤等缺点。

        最近，非共价作用导向和过渡金属催化的结合为C–H键官能团化提供了一种非常有效的途径。原则上，将远程C–H活化大环番状过渡态中的共价键替代为非共价作用，就可以仅使用催化量的配体，以更高的原子和步骤经济性实现该过程。不过，由于非共价作用比共价作用弱得多，使得远程C–H键活化过渡态结构更容易发生形变，增加了区分间位和对位反应位点的难度。只有当配体导向臂具有最佳长度和几何形状时，才能有效地实现导向过程，使得反应设计极具挑战性。
         南京大学梁勇教授课题组一直致力于以计算和实验相结合的方法开展有机化学反应机理研究和计算机辅助催化剂/试剂设计等工作。最近，该团队在芳烃远程C–H键官能团化方面取得了一系列成果。
         该团队以DFT计算为指导，设计合成了含邻菲罗啉骨架和联吡啶骨架的两大类配体，通过底物与配体之间的氢键识别导向作用，成功实现了铱催化的芳香酰胺、磷酸酯、硼酸酯可调控的间位和对位选择性硼化反应。该反应具有广泛的底物范围和良好的官能团兼容性，再结合多转化导向基（MTDG，multi-transformable directing groups）的丰富转化，可以从多维度进行后期官能团化，从而快速高效地实现了多取代芳烃的合成（Chem2022, 8, 1775-1788）。
         芳基砜和芳基磺胺类化合物作为生物活性分子和重要合成砌块，在有机合成和药物化学中有着重要的应用价值。虽然芳基磺酰基化合物的邻位C–H官能团化已经被广泛研究，但其远程的间位和对位C–H键官能团化仍具有很大的挑战性，这是由于磺酰基（O=S=O）相比于羰基（C=O）是更弱的氢键受体，且磺酰基的两个氧原子导致氢键识别模式更为复杂。梁勇教授团队再次从DFT计算出发，利用配体中脲模块N–H和磺酰基底物中O=S=O之间的氢键识别导向，成功实现了芳香磺酰基化合物可调控的、高区域选择性的间位和对位C–H硼化反应（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202206797）。
         芳基季铵盐和季鏻盐在合成化学、药物化学和材料化学等领域应用广泛，但它们的缺电子特性使得其芳香亲电取代反应条件苛刻，且主要发生在间位。因此，如何实现其对位C–H键的官能团化是一个具有挑战性的课题。梁勇教授团队设计了一种新型的“联苯-邻菲罗啉”阴离子配体，在邻菲罗啉的5-位安装联苯和阴离子基团，使底物与配体之间形成的“U形结构”垂直于底物芳环平面，避免了配体与底物邻、间位C–H键的排斥，从而更高效地实现对位导向作用。该设计成功地应用于离子对作用导向的多种芳基季铵盐和季鏻盐的对位选择性C–H键硼化反应（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202201285）。
         计算指导的设计策略极大地加速了有机合成过程中新配体的发现，并且有助于减少设计和开发过程中繁冗的试错过程，提高设计的成功率。硼化产物中的硼酯基团和导向基团都可以进行多样性的后续转化，从而高效地实现多取代芳烃的合成，极大地丰富了多取代芳烃的化学空间。


        文章来源：南京大学
        梁勇, 教授，博士生导师。2005年获北京大学学士学位；2010年获北京大学理学博士学位（导师：余志祥 教授）；2012年至2015年在美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究（导师：K. N. Houk 教授）。目前已发表研究论文40多篇，总引用大于1400次。