Ir介导的吡啶选择性邻位C–H键活化——路易斯酸性硼基作用机理

永利集团3044noc登录入口聚合物复合材料及功能材料实验室柯卓锋课题组：Ir介导的吡啶选择性邻位C–H键活化——路易斯酸性硼基作用机理

有别于传统的路易斯碱-过渡金属（LB-TM）体系，新型的路易斯酸-过渡金属（LA-TM）体系在吡啶C-H键的活化展现潜力。深入了解该类催化剂的路易斯酸配体的作用机制，对催化剂的进一步理性设计具有重要意义。由过渡金属催化的直接碳氢键活化和及其官能团化由于避免了底物的预活化，被认为是一种强力有效的有机合成手段而受到广泛关注。吡啶环作为许多药物，农药，天然产物和光学材料分子中的重要结构部分，由于它的缺电子性使得其不适合进行亲电取代，与此同时，由氮原子的配位亲和性所导致的致失活性以及较差的位置选择性也是亟待解决的问题。有别于传统路易斯碱-过渡金属体系，路易斯酸-过渡金属体系可以借助路易斯酸位点的作用呈现吡啶选择性C–H键活化的潜力。深入了解该类催化剂的路易斯酸配体的作用机制，对催化剂的进一步理性设计具有重要意义。针对上述问题，永利集团3044noc登录入口聚合物复合材料及功能材料实验室柯卓锋课题组采用密度泛函理论方法对PBP-Ir介导的吡啶选择性邻位C-H键活化过程中路易斯酸性硼基的作用机制进行了系统研究，提出活化模式的新见解。提出LA-TM机理的活化模式：(a)硼导向氧化加成(BD)机理，(B)碳负型硼金属协同(BCMC)机理，(C)氢负型硼金属协同(BHMC)机理和(D)非导向氧化加成(nonBD)机理。并基于此机理认识阐明了路易斯酸配体理性设计要素。

系统的反应机理路径势能面研究表明：该类LA-TM体系倾向于通过硼导向氧化加成（BD）机理或者碳负型硼金属协同（BCMC）进行吡啶C-H键活化，其决速步的活化自由能变分别为29.2 kcal/mol （TS3-A）和30.1 kcal/mol （TS1-B）。相反，氢负型硼金属协同（BHMC）机理和非导向氧化加成（nonBD）机理则需要克服较高的反应能垒，可能性较低。
 

机理研究进一步揭示了位置选择性的成因。形变能-相互作用能分析表明，BD机理中强烈相互作用（-66.5 kcal/mol）驱使C-H键活化能够顺利进行，彰显了B-N之间导向作用对吡啶C-H键活化的重要性，同时导向作用导致了邻位C-H键的高选择性。BCMC机理则借助硼和金属的协同作用，能够以较小的形变能实现C-H键活化过程。PBP-Ir部分与吡啶底物部分形变能分别为20.7 kcal/mol与18.6 kcal/mol。BCMC机理通过热力学控制得到B-N相互作用的邻位C-H键活化产物。相反，BHMC机理与nonBD机理则由于较大形变能与较弱的配合物-底物相互作用，不能充分利用LA-TM催化剂的优势。
 

在上述机理认识的启发下，作者设计了一系列新型PBP-Ir配合物，探视Lewis酸配体要素的影响。研究发现引入给电子基团降低路易斯酸性，会大大降低PBP-Ir配合物对吡啶C-H键活化的活性。因此设计较强路易斯酸性配体有助于开发高效的LA-TM吡啶活化体系。BD机理与BCMC机理之间竞争也受到配体路易斯酸性的影响，随着配体路易斯酸性的增强，硼导向氧化加成（BD）机理的竞争会变得更有优势（VI和VII）。这些结果有助于深入了解路易斯酸性的硼基在吡啶选择性邻位C-H键活化的过程中的作用和角色，同时也对新型LA-TM体系的理性设计以实现在更温和条件下的杂环区域选择性C-H键活化具有启发性的意义。
 

该研究成果近期发表在ACS Catal. 2021, 11, 6186-6192上（DOI：10.1021/acscatal.1c00310），永利集团3044noc登录入口柯卓锋教授为通讯作者，论文第一作者为博士研究生刘嘉豪（论文作者：Jiahao Liu, Yinwu Li, Jingxing Jiang, Yan Liu, and Zhuofeng Ke*）。该研究得到了国家自然科学基金，广东省自然科学杰出青年基金，广东特支计划百千万工程青年拔尖人才基金以及中央高校基本科研业务费的资助。