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南科大化学系本科生在《德国应用化学》发表论文

2018-03-20 科研新闻

      近日,我校化学系本科毕业生陈伟豪(第一作者,我校13级本科生,2017年毕业)及陈阳(我校15级本科生)在国际顶尖化学期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上发表论文。他们采用了新颖的NHC过渡金属催化剂,实现了烯醚与末端烯烃的交叉氢烯基化反应(cross-hydroalkenylation),首次高效地合成了在有机合成上很重要的1,2-和1,3-双取代烯丙基醚。这一项工作由化学系副教授何振宇指导、博士后李扬(第二作者)共4人合作完成。

      含取代基的烯丙基醚是常见和有用的有机合成底物,但在过去的几十年来它们仍然很难直接且有效地获得。它们的合成经常需要使用当量的金属,卤素或者反应添加剂,结果使合成和废物处理两方面的成本都很高,大大限制了其大规模的合成及应用。因此,如何能使用简单的底物,如何通过发展环境友好的催化合成方法,来合成这些常用的烯丙基醚是一个非常重要的问题,这个难题一直吸引了大量化学家的目光。

      过渡金属催化的交叉氢烯基化反应具备极高的原子经济性和步骤经济性,理论上它是一种能够把大量的烯醚与末端烯烃底物转换为成各种各样烯丙基醚的理想方法。然而,此前化学家们已进行了多次尝试,但仍然受限于不利的副反应(例如氧的孤对电子与过渡金属的不利配位作用以及b-OR消除反应等等) ,结果烯丙基醚一直只能以次要产物或以非常低的收率形成(图1a-c)。

 
图1. 催化合成烯丙基醚中的挑战和这项工作的成果

      何振宇团队的工作中(图1),采用了烯醚和末端烯烃作为底物,廉价金属镍作为过渡金属催化源,易合成的卡宾作为配体,硼盐作为负离子,再用原位催化的方法,首次突破上述副反应和选择性的限制,一步便能合成含取代基的烯丙基醚。值得注意的是,该工作共提供了三种类型烯丙基醚的催化合成方法,并实现了高效、高选择性以及扩展了底物的应用范围。工作中的NHC-镍氢催化剂都是由何振宇课题组自主研发,其中实现该反应位置选择性反转(从3号产物反转成4号产物)的关键配体L2镍催化剂则是由本科生在何振宇的指导下自主设计合成并应用的(图2)。这”反转”也是第一次在NHC氢化烯基化体系中高效、高选择性地实现。

图2. 该反应所使用的配体卡宾

      这个系统的电子效应还改变了一般交叉氢烯基化反应化学选择性的倾向。它可以让大位阻的末端烯烃在与小位阻的烯醚的竞争下作为烯烃给体(alkene donor),不再只限于空间位阻效应为控制化学选择性的基础。换一种说法,它与过去发现的NHC催化的氢烯基化反应的化学选择性基础不同,底物的电子效应而非位阻效应主导了该反应。结果是它首次让空间位阻比较庞大的末端烯烃,例如带杂原子硅或硼取代的末端烯烃,能作为烯烃给体而且还达到更高的反应速率以及高效的位置选择性。另外在有机合成方面,该反应的产物含乙烯基硅烷和硼酯取代基,它可以结合Hiyama和Suzuki-miyaura等进行交叉偶联反应,影响范围更多更广(图3)。由于这个系统的应用范围很广,团队现在正申请美国(US regular)和中国专利。


图3. 由使用新颖NHC氢烯基化反应系统带来的化学选择性 ”逆转” 和新的底物应用范围
     

      该研究得到了南方科技大学提供的经费支持以及国家青年千人计划,深圳市科创委、国家自然科学基金的大力支持。

      论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201712693/full

 

供稿:化学系

 

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