作者:施章杰等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2014/9/29 12:50:56
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研究展望:惰性烷烃碳氢键转化的优势策略

C–H键活化在Tetrodotoxin全合成中的应用

化学反应的本质是旧化学键断裂与新化学键生成,如何有效活化化学键并使其反应生成新化学键一直是合成化学的核心。传统合成科学依赖于活性官能团的相互转化。将从化石燃料中获得的简单碳氢化合物转化为具有活性官能团的起始原料往往需要苛刻的反应条件、冗长的合成步骤,并且会产生大量有害副产物。如果能够在温和的条件下高效、高选择性地实现碳氢(C–H)键的直接化学转化,则可以避免传统合成中对于原料繁琐的预官能团化步骤,大大提高反应的原子经济性和步骤经济性,实现提高生产效益和减轻环境污染的双赢目标,促进合成科学的革命性发展。

由北京大学化学与分子工程学院施章杰教授担任通讯作者、陈贵华博士为共同作者,发表于《国家科学评论》的观点文章“惰性烷烃碳氢键转化的优势策略”(http://nsr.oxfordjournals.org/content/1/2/172.full)阐述了烷烃C–H键转化的进展和挑战。

无疑,C–H键官能团化有着明显的优势和应用潜力,但是,要实现这一目标却面临重重困难:

(1) C–H键具有很高的键能,使得C–H键的断裂在热力学上是不利的;

(2) 对特定C–H键的选择性官能团化相当困难;

(3) C–H键官能团化后的产物往往比原料更加活泼,需要避免过度反应。由于该研究的重要性和挑战性,C–H键官能团化一直被誉为化学中的“圣杯” (The Holy Grails of Chemistry)。

除了以上挑战外,对于活性很低的烷烃C(sp3)–H键,则还存在更大挑战:烷烃C–H键具有更高的键解离能以及更大的空间位阻,而且,由于没有如芳烃、烯烃(C(sp2)–H键)中存在的π-电子参与,烷烃C–H键与过渡金属的作用更加困难,对烷烃C–H键进行官能团化将面临更大阻力。尽管困难重重,在过去20年间,烷烃C–H键活化还是取得了巨大进步。各种活化策略的应用是该领域一直向前推进的主要动力。这些活化策略包括基于自由基过程的策略、基于卡宾、氮宾(乃春)的插入反应、基于过渡金属参与的活化方式。

古老的自由基化学在化学家的操控下变得有用起来,底物控制的Hoffmann–Loffler–Freytag (HLF)反应、催化剂控制的Fenton和Gif反应、交叉脱氢偶联反应(Cross-Dehydrogenative Coupling,CDC)等基于自由基化学的反应都在近几年得到了长足的发展,而且,不少反应还应用在天然产物的合成过程中。

卡宾、氮宾对烷烃C–H键的插入反应是迄今为止研究得最为深入的C–H活化方式之一。由于其广泛的底物类型以及成熟的不对称催化形式,该类型的反应在化学合成中已经得到了广泛应用。

由于其丰富的种类以及多样的反应形式,过渡金属催化的C–H键活化一直是化学研究的重要分支。在过渡金属催化的C–H键活化领域,碳–金属键(C–M)的形成是反应的关键。因此,根据形成C–M的方法,过渡金属催化的C–H键活化又分为氧化加成、亲电取代、σ-复分解以及过渡金属促进的均裂四种类型。在这些反应中,除了氧化加成研究得较为成熟以外,其余三种都还处于初始阶段,尤其是σ-复分解和过渡金属促进的均裂,虽然从原理上可行,但是实际的研究成果还未见报道。

可以说,虽然烷烃的C–H键活化具有很多传统方法无法比拟的优势,但是,其研究还处于发展阶段,我们还需要发展更多、更加有效的策略来实现烷烃的C–H键转化。(来源:科学网)

 
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