烷烃C-H键选择性功能化反应

Functionalization of simple C-H bonds especially alkyl C-H bonds is always a challenge to researchers in the field of organic synthesis. Many methods on transformation of sp3C-H bonds connecting to hetero atoms or carbon functional groups to C-C, C-O or C-N bonds have been studied and realized widely. However, since neither good reactivity nor high chemo, regio and stereo selectivities for normal C-H bonds of alkanes are easy to achieve currently in a practical reaction, alkanes cannot be used directly as substrates or intermediates in most organic syntheses. Based on our previous results on activations of aryl and alkyl C-H bonds, this task will focus on to further investigate the mechanism, conditions and scope of activation of simple alkyl C-H bonds by transition metals especially palladium species and to establish an effective catalysis system for various reactions such as C-C coupling, hydroxylation and amination of alkanes with high selectivity. It is not only helpful to catch the spirit of inert C-H bonds of alkanes which are ubiquitous in nature but also useful to speed up the green process of organic synthesis.

普通烷烃的C-H键指的是邻位不连接杂原子及碳官能团的sp3杂化的C-H键，而这样的键惰性且极广泛地存在于各类有机原料和合成中间体物质中。与有机合成中使用的大量有机反应相比，利用这样的惰性C-H键直接转化成C-C、C-O及C-N等键的简便又高效的方法十分缺乏。其主要的难点，一是活化烷烃C-H键的手段有限，二是难以获得较高的化学、区域及立体选择性的反应结果。基于以往在C-H键功能化反应上的研究所得，本项研究的内容是进一步认识过渡金属尤其是钯金属物种活化普通烷烃C-H键的机理、条件和适用范围；建立完善有效的催化反应体系；选择性地活化一、二或三级烷烃C-H键同时构建高度立体选择性，完成相应的普通烷烃C-H键的功能化反应。这不仅对最基本化学键之一的烷烃C-H键的种种性质会得到更多更深入的了解，而且为实现有机合成过程的高度经济性和绿色化提供可能。

烷烃C-H键极广泛地存在于各类有机原料和合成中间体中，按照反应活性可分为惰性的如普通一、二或三级烷烃C-H 键，和非惰性的如邻位连接官能团或杂原子的sp3C-H键。相比较而言，在合成中惰性的C-H 键转化成C-C、C-O 及C-N 等键的直接又高效的手段十分缺乏；而对于非惰性的已有大量的转化方法，研究任务则在于发展更简便、经济和温和的反应体系。基于前人和我们自己的研究基础，我们运用钯化学首次实现了选择性的普通酰胺β一级烷烃C-H 键的甲磺酸酯化形成C-O键及后续极易转化为相应的C-F和C-N键的方法，以及芳基化反应生成C-C键；运用可见光化学的方法建立了室温下普通烷烃的高效氧化卤代反应，例如在基于氯源为NaCl的环己烷氯代反应中，分离收率可达93%，这是目前公开报道中收率最高的，以及首例常压空气为氧化剂的催化氧化环己烷溴代反应。同时，氧化反应与可见光反应结合还有效利用在非惰性sp3C-H键的功能化反应中，包括室温下选择性的苄基溴代反应以及酰胺直接制备酰亚胺的反应。这些研究结果为进一步认识钯金属物种C-H 键活化和光引发自由基断裂普通烷烃C-H键的机理、条件和适用范围；建立完善有效的催化反应体系；完成温和条件下选择性地功能化烷烃C-H 键，最终实现有机合成过程的高度经济性和绿色化提供可能。此外，我们还建立了首例室温下钯催化的酰胺基取代苯邻位sp2C-H键的自身和交叉氧化偶联反应。在此项目期间，我们还应Wiley出版社邀请，历时三年完成了有关各类C-H键功能化的英文学术专著“Oxidation of C-H Bonds”的撰写和出版。