过渡金属参与C―H键切断模式的理论研究进展

单春晖 白若鹏 蓝宇

引用本文: 单春晖, 白若鹏, 蓝宇. 过渡金属参与C―H键切断模式的理论研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 940-953. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810052 shu
Citation:  SHAN Chunhui, BAI Ruopeng, LAN Yu. Theoretical Advances of Transition Metals Mediated C―H Bonds Cleavage[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(9): 940-953. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810052 shu

过渡金属参与C―H键切断模式的理论研究进展

    作者简介: 单春晖,生于1985年。2017年在重庆大学获得博士学位,目前在重庆大学从事博士后研究。研究方向为过渡金属催化C―H键官能团化反应;

    蓝宇,重庆大学化学化工学院教授, 1981年生。 2008年在北京大学获博士学位; 2009–2012年在美国UCLA从事博士后研究; 2012年4月加入重庆大学。研究方向为有机化学理论和理论有机化学;
    通讯作者: 单春晖, chunhui.shan@cqu.edu.cn; 蓝宇, lanyu@cqu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21822303, 21772020), 中央高校基本科研业务费(2018CDXZ0002, 2018CDPTCG0001/4)与重庆市博士后科研项目(XmT2018085)资助

摘要: 过渡金属催化活化C―H键来构建新共价键因具有原子经济和合成简捷的特点,已成为合成化学中最为有效策略之一。本文中,我们总结了过渡金属参与的C―H键切断的理论研究进展,并系统性提出了C―H键切断的相关模式,包括:C―H键对金属的氧化加成、碱协助的去质子化、σ-复分解、Friedel-Crafts型亲电芳香取代、α-或β-氢消除以及夺氢活化等。理论计算表明,当使用还原性较强的零价金属催化剂时,反应可按照氧化加成模式进行。当使用金属羧酸盐作为催化剂时,通常以协同金属化-去质子化机理模式实现C―H键切断。当使用阳离子金属催化剂,富电子芳烃比缺电子芳烃优先反应时,C―H键切断则会经历碱协助的内部亲电取代模式。σ-复分解是协同金属化-去质子化机理的另一种模式。如果亲电体对芳烃进行加成时,则可按照Friedel-Crafts型亲电芳香取代方式活化C―H键。α-或β-氢消除也是比较常见的活化C―H键模式。此外,夺氢活化可通过自由基过程实现C―H键活化。本文通过对过渡金属参与的C―H键活化模式的论述旨在为实验提供理论指导。

English

    1. [1]

      Ackermann, L. Chem. Rev. 2011, 111, 1315. doi: 10.1021/cr100412j

    2. [2]

      Cho, S. H.; Kim, J. Y.; Kwak, J.; Chang, S. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 5068. doi: 10.1039/c1cs15082k

    3. [3]

      Jiang, Y. -Y.; Man, X.; Bi, S. Sci. China-Chem. 2016, 59, 1448. doi: 10.1007/s11426-016-0330-3

    4. [4]

      Liu, C.; Zhang, H.; Shi, W.; Lei, A. Chem. Rev. 2011, 111, 1780. doi: 10.1021/cr100379j

    5. [5]

      Rao, Y.; Shan, G.; Yang, X. Sci. China-Chem. 2014, 57, 930. doi: 10.1007/s11426-014-5130-y

    6. [6]

      Shan, C.; Zhu, L.; Qu, L. B.; Bai, R.; Lan, Y. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 7552. doi: 10.1039/c8cs00036k

    7. [7]

      Yu, J. L.; Zhang, S. Q.; Hong, X. J. Am. Chem.Soc. 2017, 139, 7224. doi: 10.1021/jacs.7b00714

    8. [8]

      Yuan, C.; Zhu, L.; Chen, C.; Chen, X.; Yang, Y.; Lan, Y.; Zhao, Y. Nat. Commun. 2018, 9, 1189. doi: 10.1038/s41467-018-03341-6

    9. [9]

      Yuan, C.; Zhu, L.; Zeng, R.; Lan, Y.; Zhao, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1277. doi: 10.1002/anie.201711221

    10. [10]

      Zhang, L.; Zhu, L.; Zhang, Y.; Yang, Y.; Wu, Y.; Ma, W.; Lan, Y.; You, J. ACS Catal. 2018, 8, 8324. doi: 10.1021/acscatal.8b02816

    11. [11]

      Ackermann, L. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 281. doi: 10.1021/ar3002798

    12. [12]

      Colby, D. A.; Bergman, R. G.; Ellman, J. A. Chem. Rev. 2010, 110, 624. doi: 10.1021/cr900005n

    13. [13]

      Li, Y.; Liu, S.; Qi, Z.; Qi, X.; Li, X.; Lan, Y. Chem. -Eur. J. 2015, 21, 10131. doi: 10.1002/chem.201500290

    14. [14]

      Qin, X.; Li, X.; Huang, Q.; Liu, H.; Wu, D.; Guo, Q.; Lan, J.; Wang, R.; You, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7167. doi: 10.1002/anie.201501982

    15. [15]

      Shin, K.; Kim, H.; Chang, S. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 1040. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00020

    16. [16]

      Song, G.; Li, X. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 1007. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00077

    17. [17]

      Yu, S.; Li, Y.; Kong, L.; Zhou, X.; Tang, G.; Lan, Y.; Li, X. ACS Catal. 2016, 6, 7744. doi: 10.1021/acscatal.6b02668

    18. [18]

      Yu, S.; Liu, S.; Lan, Y.; Wan, B.; Li, X. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1623. doi: 10.1021/ja511796h

    19. [19]

      Arroniz, C.; Denis, J. G.; Ironmonger, A.; Rassias, G.; Larrosa, I. Chem. Sci. 2014, 5, 3509. doi: 10.1039/c4sc01215a

    20. [20]

      Arroniz, C.; Ironmonger, A.; Rassias, G.; Larrosa, I. Org. Lett. 2013, 15, 910. doi: 10.1021/ol400065j

    21. [21]

      Chiong, H. A.; Pham, Q. N.; Daugulis, O. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9879. doi: 10.1021/ja071845e

    22. [22]

      Engle, K. M.; Mei, T. S.; Wasa, M.; Yu, J. Q. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 788. doi: 10.1021/ar200185g

    23. [23]

      Giri, R.; Maugel, N.; Li, J. J.; Wang, D. H.; Breazzano, S. P.; Saunders, L. B.; Yu, J. Q. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3510. doi: 10.1021/ja0701614

    24. [24]

      He, J.; Wasa, M.; Chan, K. S. L.; Shao, Q.; Yu, J. Q. Chem. Rev. 2017, 117, 8754. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00622

    25. [25]

      Wang, D. H.; Mei, T. S.; Yu, J. Q. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 17676. doi: 10.1021/ja806681z

    26. [26]

      Zhang, H.; Wang, H.-Y.; Luo, Y.; Chen, C.; Cao, Y.; Chen, P.; Guo, Y. -L.; Lan, Y.; Liu, G. ACS Catal. 2018, 8, 2173. doi: 10.1021/acscatal.7b03220

    27. [27]

      Zhu, C.; Zhang, Y.; Kan, J.; Zhao, H.; Su, W. Org. Lett. 2015, 17, 3418. doi: 10.1021/acs.orglett.5b01398

    28. [28]

      Shi, R.; Lu, L.; Xie, H.; Yan, J.; Xu, T.; Zhang, H.; Qi, X.; Lan, Y.; Lei, A. Chem. Commun. 2016, 52, 13307. doi: 10.1039/c6cc06358f

    29. [29]

      Song, L.; Zhu, L.; Zhang, Z.; Ye, J. H.; Yan, S. S.; Han, J. L.; Yin, Z. B.; Lan, Y.; Yu, D. G. Org. Lett. 2018, 20, 3776. doi: 10.1021/acs.orglett.8b01363

    30. [30]

      Zhu, R. -Y.; Farmer, M. E.; Chen, Y. -Q.; Yu, J. -Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10578. doi: 10.1002/anie.201600791

    31. [31]

      Musaev, D. G.; Figg, T. M.; Kaledin, A. L. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 5009. doi: 10.1039/c3cs60447k

    32. [32]

      Xie, H.; Fan, T.; Lei, Q.; Fang, W. Sci. Chin. Chem. 2016, 59, 1432. doi: 10.1007/s11426-016-0018-2

    33. [33]

      Xie, H.; Zhang, H.; Lin, Z. New J. Chem. 2013, 37, 2856. doi: 10.1039/c3nj00531c

    34. [34]

      Liu, D.; Li, Y.; Qi, X.; Liu, C.; Lan, Y.; Lei, A. Org. Lett. 2015, 17, 998. doi: 10.1021/acs.orglett.5b00104

    35. [35]

      Aihara, Y.; Chatani, N. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 898. doi: 10.1021/ja411715v

    36. [36]

      Heitz, D. R.; Tellis, J. C.; Molander, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12715. doi: 10.1021/jacs.6b04789

    37. [37]

      Muto, K.; Yamaguchi, J.; Itami, K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 169. doi: 10.1021/ja210249h

    38. [38]

      Yamamoto, T.; Muto, K.; Komiyama, M.; Canivet, J.; Yamaguchi, J.; Itami, K. Chem. -Eur. J. 2011, 17, 10113. doi: 10.1002/chem.201101091

    39. [39]

      Yokota, A.; Aihara, Y.; Chatani, N. J. Org. Chem. 2014, 79, 11922. doi: 10.1021/jo501697n

    40. [40]

      Liu, R. R.; Zhu, L.; Hu, J. P.; Lu, C. J.; Gao, J. R.; Lan, Y.; Jia, Y. X. Chem. Commun. 2017, 53, 5890. doi: 10.1039/c7cc01015j

    41. [41]

      Zeng, Z.; Zhang, T.; Yue, X.; Zhang, H.; Bai, R.; Lan, Y. Sci. Sin. Chim. 2018, 48, 736. doi: 10.1360/N032018-00105

    42. [42]

      Murai, S.; Kakiuchi, F.; Sekine, S.; Tanaka, Y.; Kamatani, A.; Sonoda, M.; Chatani, N. Nature 1993, 366, 529. doi: 10.1038/366529a0

    43. [43]

      Ackermann, L. Chem. Commun. 2010, 46, 4866. doi: 10.1039/c0cc00778a

    44. [44]

      Ackermann, L.; Hofmann, N.; Vicente, R. Org. Lett. 2011, 13, 1875. doi: 10.1021/ol200366n

    45. [45]

      Ackermann, L.; Vicente, R.; Althammer, A. Org. Lett. 2008, 10, 2299. doi: 10.1021/ol800773x

    46. [46]

      Fumagalli, F.; Warratz, S.; Zhang, S. K.; Rogge, T.; Zhu, C.; Stuckl, A. C.; Ackermann, L. Chem. -Eur. J. 2018, 24, 3984. doi: 10.1002/chem.201800530

    47. [47]

      Liu, W.; Ackermann, L. Org. Lett. 2013, 15, 3484. doi: 10.1021/ol401535k

    48. [48]

      Warratz, S.; Burns, D. J.; Zhu, C.; Korvorapun, K.; Rogge, T.; Scholz, J.; Jooss, C.; Gelman, D.; Ackermann, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1557. doi: 10.1002/anie.201609014

    49. [49]

      Ferrer Flegeau, E.; Bruneau, C.; Dixneuf, P. H.; Jutand, A. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 10161. doi: 10.1021/ja201462n

    50. [50]

      Ozdemir, I.; Demir, S.; Cetinkaya, B.; Gourlaouen, C.; Maseras, F.; Bruneau, C.; Dixneuf, P. H. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1156. doi: 10.1021/ja710276x

    51. [51]

      Ryabov, A. D.; Sakodinskaya, I. K.; Yatsimirsky, A. K. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1985, 2629. doi: 10.1039/dt9850002629

    52. [52]

      Kurzeev, S. A.; Kazankov, G. M.; Ryabov, A. D. Inorg. Chim. Acta 2002, 340, 192. doi: 10.1016/s0020-1693[02] 01148-9

    53. [53]

      Oxgaard, J.; Tenn, W. J.; Nielsen, R. J.; Periana, R. A.; Goddard, W. A. Organometallics 2007, 26, 1565. doi: 10.1021/om061189b

    54. [54]

      Balcells, D.; Clot, E.; Eisenstein, O. Chem. Rev. 2010, 110, 749. doi: 10.1021/cr900315k

    55. [55]

      Wenz, K. M.; Liu, P.; Houk, K. N. Organometallics 2017, 36, 3613. doi: 10.1021/acs.organomet.7b00531

    56. [56]

      Xi, Y.; Su, Y.; Yu, Z.; Dong, B.; McClain, E. J.; Lan, Y.; Shi, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9817. doi: 10.1002/anie.201404946

    57. [57]

      Shi, F. Q. Org. Lett. 2011, 13, 736. doi: 10.1021/ol102974k

    58. [58]

      Cho, K. B.; Kang, H.; Woo, J.; Park, Y. J.; Seo, M. S.; Cho, J.; Nam, W. Inorg. Chem. 2014, 53, 645. doi: 10.1021/ic402831f

    59. [59]

      Sun, X.; Sun, X.; Geng, C.; Zhao, H.; Li, J. J. Phys. Chem. A 2014, 118, 7146. doi: 10.1021/jp505662x

    60. [60]

      Tamura, H.; Yamazaki, H.; Sato, H.; Sakaki, S. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 16114. doi: 10.1021/ja0302937

    61. [61]

      Zhu, L.; Qi, X.; Li, Y.; Duan, M.; Zou, L.; Bai, R.; Lan, Y. Organometallics 2017, 36, 2107. doi: 10.1021/acs.organomet.7b00151

    62. [62]

      Murphy, S. K.; Park, J. W.; Cruz, F. A.; Dong, V. M. Science 2015, 347, 56. doi: 10.1126/science.1261232

    63. [63]

      Luo, X.; Bai, R.; Liu, S.; Shan, C.; Chen, C.; Lan, Y. J. Org. Chem. 2016, 81, 2320. doi: 10.1021/acs.joc.5b02828

    64. [64]

      Gorelsky, S. I.; Lapointe, D.; Fagnou, K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10848. doi: 10.1021/ja802533u

    65. [65]

      Wang, Q.; Li, Y.; Qi, Z.; Xie, F.; Lan, Y.; Li, X. ACS Catal. 2016, 6, 1971. doi: 10.1021/acscatal.5b02297

    66. [66]

      Yu, S.; Tang, G.; Li, Y.; Zhou, X.; Lan, Y.; Li, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8696. doi: 10.1002/anie.201602224

    67. [67]

      Dateer, R. B.; Chang, S. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4908. doi: 10.1021/jacs.5b01065

    68. [68]

      Li, Y.; Shan, C.; Yang, Y. F.; Shi, F.; Qi, X.; Houk, K. N.; Lan, Y. J. Phys. Chem. A 2017, 121, 4496. doi: 10.1021/acs.jpca.7b01020

    69. [69]

      Liu, S.; Qi, X.; Qu, L. -B.; Bai, R.; Lan, Y. Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 1645. doi: 10.1039/c7cy02367g

    70. [70]

      Luo, Y.; Liu, S.; Xu, D.; Qu, L. -B.; Luo, X.; Bai, R.; Lan, Y. J. Organomet. Chem. 2018, 864, 148. doi: 10.1016/j.jorganchem.2018.03.016

    71. [71]

      Tan, G.; Zhu, L.; Liao, X.; Lan, Y.; You, J. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15724. doi: 10.1021/jacs.7b07242

    72. [72]

      Yang, X.; Liu, S.; Yu, S.; Kong, L.; Lan, Y.; Li, X. Org. Lett. 2018, 20, 2698. doi: 10.1021/acs.orglett.8b00906

    73. [73]

      Yin, J.; Zhou, F.; Zhu, L.; Yang, M.; Lan, Y.; You, J. Chem. Sci. 2018, 9, 5488. doi: 10.1039/c8sc01963k

    74. [74]

      Zhang, T.; Qi, X.; Liu, S.; Bai, R.; Liu, C.; Lan, Y. Chem. -Eur. J. 2017, 23, 2690. doi: 10.1002/chem.201605188

    75. [75]

      Qi, X.; Li, Y.; Bai, R.; Lan, Y. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 2799. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00400

    76. [76]

      Gao, B.; Liu, S.; Lan, Y.; Huang, H. Organometallics 2016, 35, 1480. doi: 10.1021/acs.organomet.6b00072

    77. [77]

      Shan, C.; Luo, X.; Qi, X.; Liu, S.; Li, Y.; Lan, Y. Organometallics 2016, 35, 1440. doi: 10.1021/acs.organomet.6b00064

    78. [78]

      Zhou, X.; Luo, Y.; Kong, L.; Xu, Y.; Zheng, G.; Lan, Y.; Li, X. ACS Catal. 2017, 7, 7296. doi: 10.1021/acscatal.7b02248

    79. [79]

      Li, Y.; Zou, L.; Bai, R.; Lan, Y. Org. Chem. Front. 2018, 5, 615. doi: 10.1039/c7qo00850c

    80. [80]

      Zell, D.; Bursch, M.; Muller, V.; Grimme, S.; Ackermann, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 10378. doi: 10.1002/anie.201704196

    81. [81]

      Bu, Q.; Rogge, T.; Kotek, V.; Ackermann, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 765. doi: 10.1002/anie.201711108

    82. [82]

      Yue, X.; Qi, X.; Bai, R.; Lei, A.; Lan, Y. Chem. -Eur. J. 2017, 23, 6419. doi: 10.1002/chem.201700733

    83. [83]

      Lin, Y.; Zhu, L.; Lan, Y.; Rao, Y. Chem. -Eur. J. 2015, 21, 14937. doi: 10.1002/chem.201502140

    84. [84]

      Ahmad, K.; Khan, B. A.; Roy, S. K.; Zai-ul, A.; Mahmood, R.; Khan, J.; Ashraf, H. Comput. Theor. Chem. 2018, 1130, 140. doi: 10.1016/j.comptc.2018.03.025

    85. [85]

      Clot, E.; Chen, J.; Lee, D. H.; Sung, S. Y.; Appelhans, L. N.; Faller, J. W.; Crabtree, R. H.; Eisenstein, O. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8795. doi: 10.1021/ja048473j

    86. [86]

      Chen, Z. M.; Hilton, M. J.; Sigman, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 11461. doi: 10.1021/jacs.6b06994

    87. [87]

      Werner, E. W.; Mei, T. S.; Burckle, A. J.; Sigman, M. S. Science 2012, 338, 1455. doi: 10.1126/science.1229208

    88. [88]

      Xu, L.; Hilton, M. J.; Zhang, X.; Norrby, P. O.; Wu, Y. D.; Sigman, M. S.; Wiest, O. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1960. doi: 10.1021/ja4109616

    89. [89]

      Limberg, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 5932. doi: 10.1002/anie.200300578

    90. [90]

      Che, C. M.; Lo, V. K.; Zhou, C. Y.; Huang, J. S. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1950. doi: 10.1039/c0cs00142b

    91. [91]

      Zhang, L.; Liu, Y.; Deng, L. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15525. doi: 10.1021/ja509731z

    92. [92]

      Hu, L.; Chen, H. ACS Catal. 2016, 7, 285. doi: 10.1021/acscatal.6b02694

    93. [93]

      Maurice, D.; Head-Gordon, M. Mol. Phys. 1999, 96, 1533. doi: 10.1080/00268979909483096

    94. [94]

      Head-Gordon, M.; Rico, R. J.; Oumi, M.; Lee, T. J. Chem. Phys. Lett. 1994, 219, 21. doi: 10.1016/0009-2614[94] 00070-0

    95. [95]

      Purvis, G. D.; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1982, 76, 1910. doi: 10.1063/1.443164

    96. [96]

      Krishnan, R.; Pople, J. A. Int. J.Quantum Chem. 1978, 14, 91. doi: 10.1002/qua.560140109

    97. [97]

      Van Voorhis, T.; Head-Gordon, M. J. Chem. Phys. 2001, 115, 5033. doi: 10.1063/1.1390516

    98. [98]

      Meyer, H. D.; Manthe, U.; Cederbaum, L. S. Chem. Phys. Lett. 1990, 165, 73. doi: 10.1016/0009-2614[90] 87014-i

    99. [99]

      M ller, C.; Plesset, M. S. Phys. Rev. 1934, 46, 618. doi: 10.1103/PhysRev.46.618

    100. [100]

      Grimme, S. J. Comput. Chem. 2004, 25, 1463. doi: 10.1002/jcc.20078

    101. [101]

      Zhao, Y.; Schultz, N. E.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2006, 2, 364. doi: 10.1021/ct0502763

    102. [102]

      Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. doi: 10.1063/1.464913

    103. [103]

      Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785. doi: 10.1103/PhysRevB.37.785

    104. [104]

      Goerigk, L.; Grimme, S. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 291. doi: 10.1021/ct100466k

    105. [105]

      Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104. doi: 10.1063/1.3382344

    106. [106]

      Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 119, 525. doi: 10.1007/s00214-007-0401-8

    107. [107]

      Peverati, R.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 3, 117. doi: 10.1021/jz201525m

    108. [108]

      Peverati, R.; Truhlar, D. G. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 2310. doi: 10.1021/ct3002656

    109. [109]

      Zhao, Y.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5656. doi: 10.1021/jp050536c

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  22
  • 文章访问数:  1731
  • HTML全文浏览量:  313
文章相关
  • 发布日期:  2019-09-01
  • 收稿日期:  2018-10-23
  • 接受日期:  2018-11-21
  • 修回日期:  2018-11-17
  • 网络出版日期:  2018-09-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章