化工學院張金副教授在有機合成化學與金屬有機化學領域取得系列研究進展

近日，我?；瘜W與化工學院張金副教授在有機合成化學、金屬有機化學領域取得系列研究進展，在化學領域國際頂級期刊ACS Catalysis、Communications Chemistry、Organic Letters、Chemical Communications、Organometallics等發(fā)表多篇學術論文，為惰性化學鍵活化、氮雜環(huán)卡賓金屬配合物開發(fā)等領域提供了理論依據(jù)與應用研究，部分研究成果如下：

【成果1】釕催化多氟芳烴的碳-氟鍵芳基化反應

含氟化合物因其獨特的化學性質(zhì)使其在醫(yī)藥、農(nóng)藥和功能材料領域中有著廣泛的應用?；谟袡C合成所追求的簡潔性和高效性，對于商業(yè)易得的含氟分子直接碳氟鍵官能化反應是一種有前景的策略。但由于碳氟鍵的離解能極高（126 kcal/mol），因此碳氟鍵的選擇性活化是一個巨大的挑戰(zhàn)。張金副教授與陜西科技大學方冉教授、美國羅格斯大學Qun Zhao、Michal Szostak教授合作報道了一種釕（0）催化的亞胺導向的多氟芳烴鄰位碳氟鍵芳基化策略，這種方法具有良好的官能團耐受性。通過調(diào)控釕(0)催化劑與配體組合可以成功實現(xiàn)碳-氫/碳-氟鍵選擇性串聯(lián)活化合成一系列不對稱的多氟聯(lián)芳基化合物。產(chǎn)物應用衍生實驗表明了該方法在藥物化學、功能材料和電化學催化研究領域中存在著巨大應用潛力。DFT計算表明了C-F鍵活化步驟屬于決速步和碳氟鍵與碳氫鍵活化能上的差異。研究論文發(fā)表國際催化領域頂級期刊ACS Catalysis（IF：13.700）上。

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Zhang Jin*; Liu Jiale; Wang Xiaogang; Yang Xinkan; Ma Yangmin; Fang Ran*; Zhao Qun*; Szostak Michal*,Ruthenium-Catalyzed C–F Bond Arylation of Polyfluoroarenes: Polyfluorinated Biaryls by Integrated C–F/C–H Functionalization,ACS Catalysis,2022, 12(22), 14337-14346.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c04401

【成果2】噻唑型氮雜環(huán)卡賓金屬銅配合物的設計合成、硼氫化反應中的應用與機理研究

高反應活性的有機硼化合物是有機合成中最重要的片段之一，碳-硼鍵的構建因此被眾多化學研究者所關注。而銅催化各種π共軛體系（包括烯烴、炔烴、二烯烴、雜環(huán)化合物、醛、酮、亞胺、環(huán)氧化合物等）的官能化成為構建碳-硼鍵的一種強有力的手段。氮雜環(huán)卡賓(NHC)-銅配合物催化的炔烴硼氫化反應是構建有機硼化合物的主要方法之一，其中，咪唑型氮雜環(huán)卡賓配體是應用最為廣泛的氮雜環(huán)卡賓配體，但受限于氮原子上需為對稱性取代基和高度雜原子的穩(wěn)定性。為進一步拓展氮雜環(huán)卡賓銅配合物在硼氫化反應中的催化潛力，因此，開發(fā)新型的氮雜環(huán)卡賓銅催化體系十分必要。張金副教授與化工學院方冉教授和羅格斯大學Szostak教授合作，開發(fā)了一系列結(jié)構新穎的“半傘形”的噻唑型氮雜環(huán)卡賓銅配合物催化劑。該類催化劑在炔烴的硼氫化反應中表現(xiàn)出了良好的催化活性和區(qū)域選擇性，以較高的產(chǎn)率獲得單一的β-烯基硼酸酯類化合物。這一研究為氮雜環(huán)卡賓金屬催化劑的發(fā)展提供了新的思路。研究論文發(fā)表國際催化領域頂級期刊ACS Catalysis（IF：13.700）上。

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Zhang Jin*; Li Xue; Li Tao; Zhang Gaopeng; Wan Kerou; Ma Yangmin; Fang Ran*; Szostak Roman; Szostak Michal*,Copper(I)–Thiazol-2-ylidenes: Highly Reactive N-Heterocyclic Carbenes for Hydroboration of Terminaland Internal Alkynes. Ligand Development, Synthetic Utility and Mechanistic Studies,ACS Catalysis,2022, 12, 15323-15333.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c04401

【成果3】噻唑型氮雜環(huán)卡賓金屬銀配合物的設計合成、環(huán)化反應中的應用與機理研究

在過去的20年中，氮雜環(huán)卡賓已成為過渡金屬催化領域配體研發(fā)的一個主要方向。較強的σ-給電子作用與可控的空間位阻環(huán)境，使氮雜環(huán)卡賓配體成為碳-碳鍵和碳雜鍵合成中應用最為廣泛的配體之一。張金副教授與化工學院方冉教授和羅格斯大學Szostak教授合作，開發(fā)了一系列結(jié)構新穎的“半傘形”的噻唑型氮雜環(huán)卡賓銀配合物，并將其應用于N-炔丙基酰胺的環(huán)化反應中，并通過密度泛函理論分析了噻唑型氮雜環(huán)卡賓的最高占據(jù)分子軌道和最低未占分子軌道的能量，同時闡釋了反應可能的機理。該論文發(fā)表在Nature旗下期刊Communications Chemistry（IF：7.211）上。

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Zhang Jin*; Li Tao; Li Xiangyang; Lv Anqi; Li Xue; Wang Zheng; Wang Ruihong; Ma Yangmin; Fang Ran*; Szostak Roman; Szostak Michal*,Thiazol-2-ylidenes as N-Heterocyclic Carbene Ligands with Enhanced Electrophilicity for Transition Metal Catalysis,Communications Chemistry,2022,5(1),60.

https://www.nature.com/articles/s42004-022-00675-7

【成果4】適用于偶聯(lián)反應的高效氮雜環(huán)卡賓鈀催化劑的設計合成與反應研究

鈀催化的交叉偶聯(lián)反應在有機合成化學中占據(jù)著重要地位，并因此獲得2010年的諾貝爾化學獎。雖然，膦配體因其出色的富電子特性在偶聯(lián)反應中引用廣泛，但是氮雜環(huán)卡賓配體現(xiàn)已成為配體開發(fā)的一個主要方向。張金副教授與羅格斯大學Szostak教授合作開發(fā)了一類結(jié)構精確調(diào)控的、在空氣中穩(wěn)定的苊并咪唑型氮雜環(huán)卡賓鈀配合物二聚體，并將其應用于Suzuki交叉偶聯(lián)反應中，該催化劑表現(xiàn)出良好的催化活性，反應不僅不需要惰性氣體保護，而且對使用常規(guī)催化體系反應較差的多氯芳烴也具有良好的催化活性。該論文發(fā)表于自然指數(shù)期刊Chemical Communications（IF：6.065）上.

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Zhang Jin*; Li Tao; Li Xue; Zhang Gaopeng; Fang Shuai; Yan Wenxuan; Li Xiangyang; Yang Xiufang; Ma Yangmin; Szostak Michal*,AnAir-Stable, Well-Defined Palladium–BIAN–NHC Chloro Dimer: Fast-Activating, Highly Efficient Catalyst for Cross-Coupling,Chemical Communications,2022, 58(53), 7404-7407.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cc/d2cc02253b/

【成果5】具有雙重電子效應的非經(jīng)典氮雜環(huán)卡賓在催化中的應用

氮雜環(huán)卡賓（N-heterocyclic carbenes, NHCs）因其獨特的空間效應和電子效應，是配位化學和金屬催化中一類重要的配體，對活化金屬中心起著至關重要的作用。尤其是非經(jīng)典的氮雜環(huán)卡賓由于其更強的給電子能力引起了廣泛的關注。然而，由于對非經(jīng)典氮雜環(huán)卡賓的空間效應的調(diào)控存在著諸多局限性，因此對非經(jīng)典氮雜環(huán)卡賓催化活性的研究一直充滿了挑戰(zhàn)。張金副教授、與化工學院方冉教授、羅格斯大學Szostak教授合作，以穩(wěn)定易得的吲唑骨架為基本結(jié)構單元，通過空間位阻的控制，合成了與傳統(tǒng)咪唑型氮雜環(huán)卡賓配體相比具有更強σ-供給電子能力和π-接受電子能力的吲唑啉型氮雜環(huán)卡賓配體?？臻g效應改善了金屬中心的催化活性，從而在氫胺化與氫肼化反應中表現(xiàn)出優(yōu)秀的催化性能，并通過計算化學的方法推測了反應機理。目前該成果發(fā)表于金屬有機化學領域旗艦期刊Organometallics（IF：3.837），并被選為當期封面文章(Outside Front Cover)。

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Zhang Jin*; Wang Yue; Zhang Yuting; Liu Ting; Fang Shuai; Wang Ruihong; Ma Yangmin; Fang Ran*; Szostak Roman;Szostak Michal*,Application of Indazolin-3-ylidenes in Catalysis: Steric Tuning of Nonclassical Formally Normal N-Heterocyclic Carbenes with Dual Electronic Character for Catalysis,Organometallics,2022,41(9),1115-1124.

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.organomet.2c00140

【成果6】機械力促進下酰氯經(jīng)選擇性碳-氯鍵斷裂的Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應

Suzuki-Miyaura反應因其優(yōu)異的化學選擇性、良好的官能團耐受性和鈀催化的交叉偶聯(lián)所固有的原子經(jīng)濟性等優(yōu)勢，在藥物化學、有機合成化學和高分子化學等領域有著廣泛的應用。但是該反應大多數(shù)情況下需要在溶劑中進行，據(jù)報道，僅在制藥行業(yè)，溶劑就占到非水相廢棄物的85%以上。機械化學合成（mechanochemicalsynthesis）作為一種新興的合成手段，可將機械能精準轉(zhuǎn)化為化學能，在無需使用溶劑的同時，可大大提高反應效率，現(xiàn)已在合成化學的各個領域引起了廣泛關注。張金副教授與美國羅格斯大學Szostak教授合作，利用機械化學合成的方法實現(xiàn)了以芳基酰氯作為?；噭┑腟uzuki-Miyaura偶聯(lián)反應。該反應完全在固態(tài)下進行，避免了有機溶劑的使用，反應時間短，官能團耐受性和選擇性高。此方法還成功應用于抗微管蛋白劑naphthylphenstatin的合成。該研究成果發(fā)表于自然指數(shù)期刊OrganicLetters（IF：6.072）上。

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Zhang Jin*, Zhang Pei, Ma Yangmin, Szostak Michal*, Mechanochemical Synthesis of Ketones via Chemoselective Suzuki-Miyaura Cross-Coupling of Acyl Chlorides,Organic Letters,2022, 24(12), 2338-2343.

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.orglett.2c00519

（核稿：黃文歡 編輯：劉倩）