香港中文大学 考研(香港中文大学考研难吗)

香港中文大学 考研，香港中文大学考研难吗

导语

二芳基酮不仅可以作为有机合成中重要的中间体，同时也广泛存在于多种天然产物和药物中。利用过渡金属催化的羰化偶联反应合成酮类化合物已经引起了有机化学家的广泛关注。近日，四川大学练仲教授课题组与香港中文大学（深圳）成贵娟教授课题组合作实现了钯/铑双金属协同催化的羰化还原偶联反应，高效地合成了一系列二芳基酮类化合物。该方法可以实现廉价易得的芳基溴和芳基三氟甲磺酸酯的直接羰化偶联，并且对于结构复杂的底物也同样适用。同时，作者通过同位素实验和DFT计算，证明了一氧化碳在反应中同时作为羰基来源和还原剂。相关研究成果在线发表于ACS Catalysis（DOI: 10.1021/acscatal.2c04211）。

（图片来源：ACS Catal.）

前沿科研成果

钯/铑双金属协同催化的羰化还原偶联反应合成二芳基酮类化合物

近年来，利用过渡金属催化的偶联反应合成酮类化合物已经取得了很大的进展。其中，亲电试剂与亲核试剂之间的羰化偶联反应发展已经较为成熟（图1a）。但这类反应中使用的亲核试剂常为锌试剂或格氏试剂等对水、空气敏感的有机金属试剂，这在一定程度上造成了底物适用范围受限和实验操作繁琐。因此，过渡金属催化的酰卤、酸酐、酯等酰基亲电物种与亲电试剂间的还原偶联反应越来越受到关注（图1b）。这类还原偶联反应多适用于合成芳基烷基酮类化合物，并且需要添加当量的金属锰或者锌作为还原剂。

为了弥补以上两种合成策略的不足，四川大学练仲教授课题组与香港中文大学（深圳）成贵娟教授课题组利用钯/铑双金属协同催化的策略实现了芳基溴和芳基三氟甲磺酸酯的羰化偶联（图1c）。该反应不需要额外添加金属单质作为还原剂，这很好地解决了金属废物造成环境污染的问题。另外，使用一氧化碳气体作为羰基来源易于合成碳13标记的二芳基酮类化合物。

图1. 偶联反应合成酮类化合物（图片来源：ACS Catal.）

该反应对芳基三氟甲磺酸酯具有优异的底物普适性。一系列酯基、羰基取代的芳基三氟甲磺酸酯均能以较高的收率转化为相应的羰基化产物（图2）。同时，由雌酚酮和氨基酸等天然产物衍生的三氟甲磺酸酯也可以作为羰化偶联的底物，得到一系列结构复杂的二芳基酮产物。

图2. 芳基三氟甲磺酸酯的底物适用范围（图片来源：ACS Catal.）

同时，反应对芳基溴也有很好的官能团兼容性。酯基、卤素、三甲基硅、硼酸酯等官能团取代的芳基溴代物均能以中等收率得到相应的产物。并且氨基酸、呋喃糖和吡喃糖衍生的芳基溴代物均适用于该反应（图3）。

图3. 芳基溴代物的底物适用范围（图片来源：ACS Catal.）

作者通过控制实验发现在只加钯催化剂时两个原料均被大量消耗，但没有羰化产物生成；而只加铑催化剂时原料完全没有被消耗。据此，作者认为钯催化剂可以活化芳基溴和芳基三氟甲磺酸酯，而铑催化剂只在插羰这一过程中发挥关键作用。DFT计算结果也证明该设想是合理的，并且整个反应的决速步骤是钯催化剂对芳基溴的氧化加成，能垒为31.9 kcal/mol（图4）。

图4. DFT计算结果（图片来源：ACS Catal.）

进一步的动力学实验结果表明该反应的速率与钯催化剂和芳基溴均为一级动力学相关，而与铑催化剂和芳基三氟甲磺酸酯为零级动力学相关。这与DFT计算结果中钯催化剂对芳基溴的氧化加成是反应的决速步骤完全相符（图5）。

图5. 动力学实验结果（图片来源：ACS Catal.）

据此，作者提出了完整的反应机理。首先，零价钯催化剂对芳基溴进行氧化加成，得到Ar1–Pd(II)–Br。该中间体可以与铑催化剂发生转金属，生成Rh(I)–Ar1。一氧化碳插入到铑和芳基之间实现羰化过程，生成Rh(I)–COAr1。随后该酰基铑中间体与氧化加成得到的Ar2–Pd(II)–OTf进行转金属，生成Ar1CO–Pd(II)–Ar2。该中间体还原消除即生成二芳基酮产物和零价钯（图6，path Ⅰ）。芳基三氟甲磺酸酯先发生羰化过程生成Rh(I)–COAr2也是存在的（图6，path Ⅱ），但DFT计算结果发现该催化循环的能垒较高。

图6. 反应机理（图片来源：ACS Catal.）

为了证明一氧化碳是反应的还原剂，作者选择了13CO气体进行了同位素标记实验。该反应得到的目标产物的羰基均有碳13标记，并且通过检测反应结束后体系中气体的成分发现有13CO2生成。结合DFT计算，作者认为一氧化碳可以还原二价钯为零价钯，推动反应顺利进行（图7）。

图7. 同位素标记实验及DFT计算结果（图片来源：ACS Catal.）

总结：该团队利用钯/铑双金属协同催化反应体系实现了芳基三氟甲磺酸酯和芳基溴的羰化还原偶联反应。该反应具有条件温和、官能团兼容性强和底物适用范围广的特点。一氧化碳在反应中同时作为羰基来源和还原剂，原子经济性高且环境友好。新颖的催化体系和完整的机理探究实验可以为相关的研究工作提供一定的启发和帮助。

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