负载型多金属氧酸盐催化惰性碳氢键的选择性转化研究

It is not easy to activate the inert sp3 C-H bonds or control the selectivity of the corresponding reactions due to their high bond energy. Thus the selective reaction of sp3 C-H bonds, known as the “Holy Grail” of chemistry, is both attractive and challenging for chemists. The hypervalent metal-oxo species of transition metals are capable for the efficient transformation of sp3 C-H bonds, and are especially competent with the activation of “remote” sp3 C-H bonds which are very difficult to activate. However, the poor selectivity would be encountered in the case of employing the substrates which are lacking of coordinating “directing groups”. Metal-organic frameworks (MOFs) are new families of crystals of highly ordered porous material, in which the tunable sizes, dimentions, and topology of the open channels make the them to feature the predictable shape-selectivity in heterogeneous catalysis. Up to now, studies on the size-selective and enantioselective reactions catalyzed by MOFs have been being increasingly developed, however, the MOFs catalyzed regioselective reactions, especially when the alkane is used, are rarely reported. Tungsten-based polyoxometalates (POMs) are highly oxidative and able to abstract hydrogen atoms of alkanes to generate carbon-centered radicals. In this project, we plan to immobilize tungsten-based POMs on MOFs to realize the cooperative catalysis of “shape selectivity” and oxidative reactivity, and the composite catalyst POMs@MOFs which will be employed in the regio-/stereoselective oxidation of alkane without directing group. Meanwhile, the enantioselective transformation of the corresponding carbon-centered radical intermediate in conjugated addition will also be examined.

碳氢键的直接官能化具有重要的意义，被誉为化学的“圣杯”；惰性sp3碳氢键具有较高键能，不易发生反应，难以控制选择性，sp3碳氢键的选择性反应一直是化学家关注的挑战性课题。高价态过渡金属氧物种能够有效转化sp3碳氢键，还可活化很难参与反应的“远端”sp3碳氢键，但对于缺少配位性导向基团的烷烃底物，选择性通常不佳。金属有机框架（MOFs）是一种结构、孔道可调，高度有序的新型多孔结晶材料，其内部孔道的尺寸、空间取向、拓扑结构的可控性使MOFs在非均相催化反应中体现可预期的“择形”选择性。这有望成为控制无导向基团的烷烃底物sp3碳氢键选择性转化的因素。钨系多金属氧酸盐（POMs）具强氧化性，能够攫取sp3碳的氢生成自由基物种。本项目拟将POMs负载到MOFs中，实现氧化与“择形”的协同催化，分别实现无配位导向基团的烷烃在氧化反应中，以及烷烃脱氢后生成的自由基物种在共轭加成反应中的区域、立体选择性。

碳氢键的直接官能化具有重要的意义，被誉为化学的“圣杯”。由于惰性碳氢键惰性具有较高键能，不易发生反应，且难以控制选择性，因而高选择性的碳氢键直接官能化反应一直是化学家关注的挑战性课题。针对在生理、药理领域具有重要应用价值的sp2碳氢体系的直接三氟甲基化反应中，选择性难以控制等系列问题，本项目学习细胞色素酶P450在芳基氧化代谢机制，通过插入噻吩基团来调控金属有机框架负载的光敏有机染料三苯胺的光电特性，增强其在可见光区的吸收；调控光氧化还原能力，使其在光照条件下可控生成具有高活性的三氟甲基自由基等中间体物种；通过控制生成过渡金属节点的配位不饱和位点，锚定底物，模拟酶中的底物—催化中心作用机制，拉近底物代谢活性位点—光氧化还原中心间距离，控制反应中间态优势构象。进而在光催化条件下，实现了优于均相体系的区位和非对映选择性三氟甲基化反应，并成功应用于具有生物活性的精细化工中间体和药物分子代谢活性位点的高选择性保护。含有过氧键的青蒿素及其衍生物广泛应用于恶性疟疾的标准治疗中，将三氟甲基引入到药物分子二氢青蒿素分子中，能够提升其结构稳定性并强化抗疟疾的药理活性。将过氧键与三氟甲基基团引入到同一分子中有助于结合两者的优势，烯烃的双官能化反应为实现这个目标提供了可能。现有经由自由基机理的双官能化反应难以实现好的区域选择性。使用易合成、结构稳定、空腔孔道大的Cu3(BTC)2作为催化剂，利用其路易斯酸性节点活化Togni试剂，锚定高活性含三氟甲基正离子中间体，进而利用MOFs限域空间的“择型”效应控制反应进程，在芳基烯烃体系中同时引入在生理、药理学上具有重要意义的三氟甲基和过氧片段。轮桨状铜{Cu2}活性位点附近的限域微环境，使反应具备迥异于均相体系的区域选择性，并成功实现同一底物中不同烯烃之间的选择性反应与选择性保护，规避了均相反应中通常需要的保护与去保护过程，对含复杂结构药物分子的转化具有重要意义。