茂钛/锆结构域Lewis酸催化C-C/N成键反应

Based on the literature research and our previous work, a concept of “Structural Domain Lewis Acid Catalysis”is proposed. The metallocene Lewis acid complexes are designed with titanoceneorzirconocene dichloride as stable Lewis acid precursors, which coordinate with functionalized carboxylic acids featured the aromatic hydroxyl group as Brønsted acid site or amino groups as Brønsted base site, and intramolecular bridges of aromatic rings, respectively. According to the concept of the structural domain, four dimensional structural controls over metal centers, electronic and steric property of Cp ligands, aromatic and heteroaromatic cyclic structures, and acid or base ligands are developed to tune the catalytic activity of metallocene Lewis acids in order to establish the intriguing relationship between molecular structures and their catalytic properties. To clearly demonstrate the catalytic significance of the structural domain, designed Lewis acid complexes catalyzed C-C and C-N bond formation reactions will be investigated. Mannich reaction, Biginelli reaction and aza-Diels-Alder reaction are chosen to evaluate the activity of Lewis acid catalysts which might synergistically activate organic carbonyl compounds and further condensation reactions of aldehyde compounds and amino derivatives. The novel acid-base cooperative catalysis system of the structural domain Lewis acid are the key to understand the relationship between complex structures and their properties, which will broaden the research field of the Lewis acid chemistry and their application in transition metal catalysis.

基于文献调研及研究积累，总结并提出“结构域路易斯(L)酸催化”概念。以二氯二茂钛/锆及其衍生物为原料，以芳香环上具有邻位羧基和羟基或氨基为基本结构单元的羧酸衍生物为配体，构建以羧基为配位基、以环系结构为桥梁、以茂金属为L酸骨架中心、以羟基为布朗斯特(B)酸或氨基为B碱的二茂金属结构域L酸配合物。基于结构域概念，从L酸酸性中心出发，通过金属中心的变换、茂环取代基电子效应及环结构的演化、配体取代基电子效应、环系结构的芳香性、空间效应、杂原子效应及位置的调变、B酸碱调配，施行四维度结构调控，实现分子内结构与性质关联；通过配合物催化活性检测，揭示茂金属L酸结构域效应。再以配合物为催化剂，以曼尼希反应、比吉内利反应及氮杂D-A反应为模型，以羰基化合物为活化对象，考察醛与胺及其衍生物进行缩合的C-C/N成键反应，关联结构与催化性能，建立结构域L酸分子内酸碱催化新体系，丰富L酸催化化学，推进实际应用。

针对过渡金属均相催化剂稳定性和活性之间的矛盾，本项目集成配位化学、催化化学和有机化学的研究方法，系统研究了茂钛路易斯酸（LA）/布朗斯特酸（BA）协同活化现象，阐明了茂金属结构域协同催化机制，发展了兼具高活性和高稳定性的茂金属LA催化体系。项目研究成果具体包括：（1）设计合成了BA配位活化茂钛/锆分子催化剂库。通过六例单晶结构分析，证实了芳香酸配体对于茂钛中心的配位活化作用。（2）使用原位在线表征技术结合理论计算，研究了配合物分子催化剂活性差异以及各类BA活化作用，揭示了此类催化剂与反应的本构关系，阐明了茂金属LA结构演化过程及其多位点协同活化催化功能，并据此提出茂钛/锆结构域协同催化理论模型。（3）面向Mannich反应、Aza Diels-Alder反应、Bigenilli反应、杂环化合物合成反应，发展了BA酸/碱活化、溶剂增强、乳液保护以及后过渡金属协同的结构域调控策略，大幅度提升了茂钛LA催化剂的催化活性，同时保持了催化剂的稳定性。发展了水相乳液和BA多因子协同调控茂钛/锆LA活性的新体系，构建水相稳定的高活性茂钛/锆LA结构域催化体系，彻底解决了传统过渡金属LA催化剂不耐水、 稳定性差的难题。在此基础上，项目组应用结构域催化模型，发展了水相钯结构域催化体系，实现了ppm级钯催化的C-C键偶联反应。本项目相关研究发表学术论文12篇，获中国发明专利授权14件，相关成果获2019年度陕西省高等学校科学技术奖一等奖。项目组成员受邀作国内国际会议报告4次，参与组织了2017、2019年度中韩无机化学双边化学会，推动了茂金属有机化学的国际合作交流。经过四年的融合发展，本项目组已形成金属有机化学为核心，催化反应研究为特色的系统集创新研究模式，并成功申请获批成立陕西省金属有机催化化学国际联合研究中心和西安市金属有机材料化学重点实验室，为陕西师范大学催化学科发展搭建了科研平台。