路易斯酸促进/催化C(sp3)-F键活化机理的理论研究

While the use of lanthanide or main group element Lewis acids has emerged as a powerful tool to selectively activate C(sp3)-F bonds, their detailed mechanisms are still obscure and remain controversial, which has hampered the rational design and optimization of new catalysts and reactions. In this project, we intend to systematically investigate the mechanistic details of five representative types of Lewis acids mediated/catalyzed C(sp3)-F bond activation by quantum mechanical calculations. We will start with investigation of the selective activation of C(sp3)-F bonds by trivalent lanthanides to uncover the energetically preferred catalytic mode as well as the factors governing activity and the chemo-selectivity. Then, we will study the mechanisms of boron, aluminum, and silicon based main group Lewis acids mediated/catalyzed C(sp3)-F bond activation to reveal their active catalytic species, preferred reaction pathways, rate-limiting steps, thermodynamic driving forces, and origins of chemo-selectivities. Further, we will explore the detailed mechanism of C(sp3)-F bond activation by postulated C-F…Li+ interaction. Based on these investigations, the differences or similarities of catalytic pattern for various Lewis acids mediated/catalyzed C(sp3)-F bond activation can be disclosed. We hope that this study will be great helpful in understanding Lewis acids mediated/catalyzed C(sp3)-F bond activation, and thus provide useful information for the judicious design of new catalysts and reactions.

虽然一些镧系或主族元素路易斯酸近来被发现可高效地促进/催化惰性C(sp3)-F键活化，但相关反应的机理却存在诸多争议或盲区，成为理性设计和优化新催化剂和新反应的障碍。本项目拟采用量子化学计算方法，系统地研究具有代表性的五类路易斯酸促进/催化C(sp3)-F键活化的机理。具体研究内容包括：理论评估镧系稀土化合物选择性活化C(sp3)-F键的不同活化模式，探寻优势活化模式及控制活性和化学选择性的因素；计算有机/无机硼、铝和硅试剂促进/催化C(sp3)-F键活化的各种可能反应路径，揭示相关反应的活性催化物种、优势反应路径、决速步、热力学驱动力和控制化学选择性的因素；研究锂离子促进C(sp3)-F键活化的机制。基于上述研究结果，找寻不同类型路易斯酸促进/催化C(sp3)-F键活化机制的异同，为设计和优化新催化剂和新反应提供理论基础。

由于具有特殊的物理、化学和生物性能，许多含氟有机化合物已在医药、农药、材料等与人类健康、国民生活和国防建设紧密相关的领域得到了广泛应用。目前，不仅发展有效形成C-F键的方法是研究热点，C-F键的活化转化亦备受关注。近年来，一些路易斯酸被发现可高效地促进/催化惰性C(sp3)-F键活化，但相关反应的机理却存在诸多争议或盲区，成为理性设计和优化新催化剂和新反应的障碍。 在本项目的支持下，我们采用密度泛函计算方法，对几个具有代表性的路易斯酸促进/催化C(sp3)-F键活化的机理进行系统的研究，揭示了相关反应的活性催化物种、优势反应路径、决速步、热力学驱动力和控制化学选择性的因素，为优化和设计新催化剂（活化剂）和新反应提供理论依据。在本项目的支持下，以第一或通讯作者共发表SCI论文学术15篇，其中影响因子大于4.5的SCI论文学术13篇（包括2篇影响因子大于 10.0的SCI学术论文）。