钴催化的酰胺化合物的烯基化反应研究文献综述

一、毕业论文选题的依据(研究的目的和意义，国内外研究概况)

（一） 研究的目的和意义

C-C键的构建是有机合成领域的重要研究内容之一¹ ，发展高效、高选择性的C-C键形成的新反应、新途径将会大大提高目标产物的合成效率，进而对现代有机合成化学的发展和应用产生积极的影响，具有重大的理论意义和应用价值² 。过渡金属催化的有机合成反应是C-C键形成的重要方法,已经得到了深入研究并成为广泛被使用的构筑C-C键的有利工具。例如,过渡金属催化的Heck反应、suzuki一yaura偶联反应、stille偶联反应和sonogashira偶联反应等（Scheme 1.1）。然而,这些反应都需要对底物进行卤化或金属化等预活化步骤³ ,因此过渡金属催化的通过碳氢键活化直接构筑C-C键的方法就成为构筑碳一碳键的绿色经济的途径,被誉为“化学的圣杯”，引起了人们的极大兴趣,成为当前有机合成的研究热点⁴。

（二） 国内外研究概况

碳氢活化反应最早可以追溯到19世纪末发现的含金属体系和碳氢化合物的反应例如,Fenton试剂(羟基化),汞盐(直接汞金属化)。首例过渡金属促进的Cminus;H 活化报道于1963年,Kleiman 和Dubeck 实现了Cp²Ni 对偶氮苯计量化的Cminus;H 键断裂, 生成环金属化的产物⁵ . 经过半个世纪的发展, Cminus;H 键活化研究已取得了巨大的进步, 无论是在计量化研究方面还是催化反应的研究. 现在几乎所有的过渡金属都已有相关的计量化C-H 键活化的报道⁶ , 包括Ru、Ir、Os、Rh、Pd等贵金属, 以及Cu、Fe等廉价易得的金属, 还有不少稀土金属促成的Cminus;H 键活化的报道⁷。和计量化研究相比, 基于Cminus;H 键活化从而进一步实现有机催化反应的报道虽然相对较少, 但是， 经过科学家们不懈的努力,该领域在最近十年里取得了突破性的进展,特别是在Ru⁸ 、Rh⁹、Pd¹⁰ 等稀有贵金属催化的Cminus;H键活化研究上, 一系列引人关注的成果不断涌现（Scheme1.2）.

Scheme1.2 Ru、Rh、Pd 催化的碳氢键活化反应

虽然Ru、Rh、Pd等贵金属在催化C-H键活化上有着不错的表现，例如，Rh催化剂有着出众的官能团耐受性¹¹ ；较其他金属而言，绝大多数Rh、Pd催化导向的C-H功能化反应可以在室温下进行，即使有空气与水分存在¹² ；但是使用Ru、Rh、Pd催化活化又有着一些缺点，如反应机理的研究、产物区域选择性的控制、反应条件的温和化以及成本昂贵等¹³ 。所以发展新型、成本低廉、环境友好的催化剂就迫在眉睫。

二、 主要研究内容、研究方法

（一） 主要研究内容

钴作为地球中含量较多的金属元素, 具有常温下性质稳定不与潮湿空气和水反应，价格廉价等优点,是理想的化学催化剂, 在催化反应中也得到了越来越广泛的应用。和Ru、Rh、Pd 等贵金属相比, 钴催化的Cminus;H 键活化的研究虽然相对较少，近年来, 这方面的研究也有了很大的发展，已有多篇相关方面的综述报道¹⁴。使用钴螯合辅助催化碳一氢功能化可以追溯到1955年，甚至当时还并未发现明确的化学计量的环金属化反应。Murahashi曾报道了在CO压力下羰基钴催化苯邻位羰基化生成异吲哚邻酮衍生物反应，反应最有可能有邻位碳氢键钴中间体激活的参与（Scheme 2.1a）¹⁵。 这一开创性发展尽管如此重要，但是直到2009年，也仅仅报道了极少数钴催化碳一氢功能化的例子。这些例子包括Kisch的使用 [Co(H)(N₂)(PPh₃)₃] or [CoH₃(PPh₃)₃]催化偶氮苯衍生物与苯乙炔的邻位烯基化反应（Scheme 2.1b）¹⁶ 以及Brookhart的烯烃的加氢酰化（Scheme 2.1c）¹⁷。除了这些例子外，一种钴[Ⅰ]复合物[Co(Me)(PMe₃)₄]自1993年被认识起就可以参与到芳香底物与烯烃底物的化学计量环金属化反应，Klein和他的同事曾报道它与偶氮苯的反应（Scheme 2.1d）¹⁸。这个反应经历了邻位C一H在钴[Ⅰ]螯合辅助下的氧化加成以及随后甲烷的还原消除过程。

Scheme 2.1 早期一些钴催化C一H功能化的例子

在下面的部分，我们总结了发展至今的两种不同类型的钴催化反应¹⁹ :

（1）烯烃和炔烃的芳基化²⁰

不饱和烃芳基化反应历程经过了芳环与低价过渡金属的氧化加成，不饱和烃的迁移插入以及还原消除(Scheme 2.2)。

Scheme 2.2 Co催化直接芳基化催化反应历程

我们假设低价钴复合物有着催化烯烃和炔烃螯合辅助芳基化的能力，为了验证我们的这个假设，最初我们探索2-芳基吡啶与4-辛炔作为反应物在低价有机钴复合物[Co(R)(L)_n]作用下的反应。经过反应条件的广泛筛选，最终我们建立了一个有着不错产率的三元催化体系，催化体系中包括CoBr2 ，PMePh₂ 以及MeMgCl（Scheme 2.3）。氚标记实验和交叉实验都证实了假设的催化循环，因为反应底物邻位氢确实完全转移到了产物的烯基位置上面。尽管如此，由于吡啶基团的不易离去性和转移性，这种反应受限制很大，但是，它的发现确实为我们使用Co催化来模拟Rh(Ⅰ)催化反应活性开辟了一条新的道路。

Scheme 2.3

这最初的发现引发我们对炔烃芳基化反应的进一步扩展。到目前为止，芳香酮亚胺，亚胺，alpha;，beta;-不饱和亚胺，吡啶，恶唑噻唑衍生物都可以作为导向基团催化加成炔烃。（Scheme2.4）

Scheme 2.4

尽管每一个反应都需要在尽可能优化的条件先仔细选择配体和格氏试剂，但是大多数所需的C-H烯基化反应都可以在室温下进行，这要比使用Rh（Ⅰ）或是Ni（0）催化同类反应所需温度要低得多，使得Co催化C-H活化具有替代贵金属催化活化的潜能。

（2） 亲电试剂参与的邻位C-H功能化

除了炔烃和烯烃的直接芳基化，有机钴复合物的化学计量环金属化反应允许我们使用亲电试剂来完成C-H直接功能化。反应历程首先经过低价有机[Co(R)(L)_n]的形成，随后是R-H的还原消除形成一个低价环金属钴中间体，然后与亲电试剂反应生成邻位官能化的产物与[Co(X)(L)_n],最后[Co(X)(L)n]与R-M反应得到最初的催化物(Scheme 2.5)。

Scheme 2.5亲电试剂参与的直接C-H功能化反应历程

基于金属钴催化C-H活化的上述优势以及研究成果²¹ ，我们将使用金属钴作为催化剂来使得C-H键活化并最终完成C-C键的构建，特别地针对钴催化的酰胺化合物的烯基化反应研究(Scheme 2.6)。

Scheme 2.6钴催化的酰胺化合物的烯基化反应

主要研究包括：

1. 钴催化烯基化配体的筛选
2. 底物上不同取代基对反应的影响
3. 不同格氏试剂对反应的影响

（二） 研究方法

文献研究法：根据一定的研究目的或课题，通过调查文献来获得资料，从而全面、正确地了解所要研究的问题。

实验研究法：依据现有的科学理论和实践的需要，提出设计，利用科学仪器和设备，在自然条件下，通过有目的有步骤地操纵，根据观察、记录、测定与此相伴随的现象的变化来确定条件与现象之间的因果关系，并得出结论。

三、 完成毕业论文（设计）所必须具备的工作条件

所必须具备的条件：图书馆，网络（中国知识网，SciFinder），实验设备，与论文相关的文献等。

四、 工作主要阶段、进度及时间安排

第一阶段：2015年3月-4月 查找文献确定课题，撰写开题报告并上传，翻译外文文献并上传（可选）

第二阶段：2015年 4月中上旬 实习中期检查，填写实习中期检查表

第三阶段：2015年5月30日前 完成毕业论文初稿，上传毕业论文初稿

第四阶段：2015年6月13日前 修改初稿并上传毕业论文终稿

五、 主要参考文献以及资料名称

1 Lu Z, Ma SM. Angew Chem Int Ed, 2008, 47: 258–297

2 Shibasaki M, Kanai M. Chem Rev, 2008, 108: 2853–2873

3 Khedkar MV, Tambade PJ, Qureshi ZS, Bhanage BM. Eur J Org Chem, 2010, 6981–6986

4 Colby DA, Bergman RG, Ellman JA. Chem Rev,2010, 110: 624–655

5 Kleiman JP, Dubeck M. J Am Chem Soc, 1963, 85: 1544–1545

6 Hans FK, Sebnem C, Robert B, Diana L, Ulrich F. Angew Chem Int Ed, 2005, 44: 975–977

7 (a) Stefan A, Benjamin RE, Peter MZ, Thomas PS, Jun O. 2006, 25: 793–795 (b) Melanie Z, Frank E, Eberhardt H, Karl WT, Reiner A. Organometallics, 2007, 26:6029–6041

8 Percia Beatrice Arockiam, Christian Bruneau, and Pierre H. Chemical Reviews. 2010, 29: 1883–1885

9 Denise A. Colby, Robert G. Bergman, and Jonathan A. Ellman. Chem. Rev. 2010, 110, 624–655

10 Thomas W. Lyons and Melanie S. Sanford. Chem. Rev. 2010, 110, 1147–1169

11 Denise A. Colby, Robert G. Bergman, and Jonathan A. Ellman. Chem. Rev. 2010, 110, 624–655

12 Chen, X.; Hao, X. S.; Goodhue,C. E.; Yu, J. Q. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 6790.

13 For reviews on sp3Cminus;H bond activation: (a) Zhang, S. Y.;Zhang, F. M.; Tu, Y. Q. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 1937. (b) Li, H.; Lia,B. J.; Shi, Z. J. Catal. Sci. Technol. 2011, 1, 191. (c) Choi, J.;MacArthur, A. H. R.; Brookhart, M.; Goldman, A. S. Chem. Rev. 2011,111, 1761.

14 Naohiko Yoshikai. Bull. Chem. Soc. Jpn. Vol. 87, No. 8, 843857(2014)

15 S. Murahashi, J. Am. Chem. Soc. 1955, 77, 6403.

16 G. Halbritter, F. Knoch, A. Wolski, H. Kisch, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1994, 33, 1603.

17 A. D. Bolig, M. Brookhart, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14544.

18 H.-F. Klein, M. Helwig, U. Koch, U. Flouml;rke, H. J. Haupt,Z. Naturforsch. B 1993, 48, 778.

19 Naohiko Yoshikai. Bull. Chem. Soc. Jpn. Vol. 2004.87, No. 8, 843857.

20 D. A. Colby, R. G. Bergman, J. A. Ellman, Chem. Rev. 2010, 110, 624.

21 a) N. Yoshikai, Synlett 2011, 1047. b) K. Gao, N. Yoshikai, Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1208.