Fe（PDP）催化的C-H鍵活化

周小洲

（北京大學化學與分子工程學院，北京　100871）

·未來化學家·

Fe（PDP）催化的C-H鍵活化

周小洲*

（北京大學化學與分子工程學院，北京100871）

介紹高效、高選擇性的Fe（PDP）催化體系的功能，并總結其選擇性規律。將此規律應用在復雜分子體系中依然可行。根據反應的選擇性特點和金屬催化活化碳氫鍵的研究結果，提出了一種機理假設。最后，討論了Fe（PDP）體系今后的可能發展方向。

碳氫鍵活化；Fe（PDP）；金屬催化劑；機理

碳氫鍵是有機分子中最常見的化學鍵，同時也是長期以來公認的惰性化學鍵，該位點的轉化通常需要多步反應才可實現；然而又因碳氫鍵數量多，所以這些反應、轉化普遍缺乏選擇性。生物體內的酶可以很好地完成這項工作，但其利用次級鍵配位環境選擇底物分子的行為模式注定了其在普適性方面的缺陷，所以這個思路或許并不利于這方面研究的展開［1］。因此如何簡捷且精確地活化碳氫鍵成了有機化學領域的一大熱點。從20世紀開始，已陸續出現關于碳氫活化催化劑的報道，但這些催化體系多數不具有高選擇性，催化效率也不理想，甚至有些還需要以被初步活化過的碳氫鍵為底物。這里將介紹一種高效、高選擇性的Fe催化劑，它能夠較好地完成碳氫鍵的活化，并一定程度地解決上述難題。

1　Fe（PDP）催化體系的性質、選擇性及其應用

Sharpless［2］于1994年即已提出，可以采用大位阻的親電金屬配合物作為催化劑活化碳氫鍵，令其選擇性地進行氧化、氨化或烷基化。順此思路，先后出現了很多可活化碳氫鍵的催化劑［3］。在碳氫鍵氧化反應中，發現一些Fe配合物可在AcOH存在的條件下催化H2O2選擇性氧化碳氫鍵的反應。以此為基礎，經過配體優化后的Fe（PDP）（1）明顯具有了更高的催化效率（圖1），使其成為少數高效、高選擇性的碳氫活化催化劑之一［4］。

圖1　Fe（PDP）結構

在篩選出最優催化條件后，White和Chen［5，6］用小分子底物進行了一系列實驗，并總結出了Fe（PDP）的催化選擇性規律。他們首先討論了底物電子分布對催化選擇性的影響（圖2）。由于Fe（PDP）本身為Lewis酸，有親電性質，故推測在Fe（PDP）催化下，富電子環境下的碳氫鍵會優先反應。一系列實驗表明，當存在如羰基、酯基或鹵素等吸電子基團（EWG）時，無論底物是環烴還是鏈烴，通常只有最遠離EWG的碳氫鍵會被H2O2氧化，選擇率通常可達到50%以上。這一現象與之前的猜想一致，電子誘導效應對反應位點選擇有顯著影響。值得注意的是，反應中對于距離EWG等同距離的位點，三級碳相比于二級碳上的碳氫鍵有明顯反應優勢。從電子誘導效應的角度來看，這說明了Fe（PDP）對細微的電子分布差異可做出敏感的區別，這對精確的催化選擇性意義重大。

圖2　最優條件下的電荷誘導效應

確定電子分布對反應的影響之后，他們又討論了位阻對催化選擇性的影響（表1）。由于Fe（PDP）是具有大位阻的配合物，故認為在其參與的催化過程中位阻小的位點優先反應。實驗結果與推論一致：1，1-二甲基環己烷（#1）的氧化中C3上的氧化產物為主要產物，而非電荷分布上有利的C2；cis-1，2-二甲基環己烷（#2）的氧化中C1氧化產物為主產物；而trans-1，2-二甲基環己烷（#3）的氧化中則是C4氧化產物為主產物。這說明存在位阻區別時，基于電子誘導效應的選擇規律可以被顛倒：考慮位阻區別時二級碳上的碳氫鍵可能會優先被氧化。

表1　最優條件下的空間位阻效應影響

由于Fe（PDP）本身為Lewis酸，強給電子基團的Lewis堿反應底物通常不適合此體系（如氧等堿性位點可能會直接與催化中心作用，從而阻止其與目標碳氫位點反應）；但對于具有某些結構特征的該類分子，Fe（PDP）依舊能夠通過一系列電子立體效應活化特定位點的碳氫鍵，達到選擇性氧化的結果（表2）。如含有環丙烷結構單元的底物（#1），由于其鍵中含p軌道的π鍵特征，故可以通過超共軛效應活化本應被位阻效應屏蔽的α位點；又如環狀底物（#2-#5）在此體系中進行氧化時，考慮到反應位點碳由sp3結構氧化后變成sp2結構可一定程度釋放環張力，故有時也會形成并不完全符合上述兩大判斷依據的產物。隨著環中碳數的增加，環的柔性增大，在大于六元環的體系中該氧化不會停止于羰基產物，而是會進一步氧化開環，最終生成二酸（#5）。

表2　最優條件下的電荷立體效應影響

White等在以結構較為簡單的小分子作為模型建立Fe（PDP）選擇性基本規律后，嘗試將其應用在復雜分子的合成中，希望能夠通過這些規律預測碳氫鍵氧化的反應位點。（-）-ambroxide通過分步氧化轉換為（+）-2-oxo-sclareolide的反應就是驗證上述規律在復雜分子體系中依然適用的很好的例子（圖3）。（-）-ambroxide分子中，首先由于C環上氧原子的給電子能力使其鄰位C-H鍵得到活化，故第一步氧化發生在這個位點，生成80%（+）-sclareolide。然后進一步考慮電子誘導效應，即第二步氧化應發生在盡可能遠離EWG（此底物中的內酯）的位點上，故最可能反應的是A環上的亞甲基；結合空間位阻效應，即可確定氧代位置，最后得到46%（+）-2-oxo-sclareolide。由此可見，電子效應、位阻效應及其他電子立體效應的基本預測規律可以應用于復雜分子體系。

圖3　（-）-ambroxide通過分步氧化生成（+）-2-oxo-sclareolide

2　Fe（PDP）催化氧化碳氫鍵的機理假設

早在1991年，McDouall等［7］就建立了通過親電反應進行碳氫鍵氧化的理論模型，并結合分子軌道理論給出了機理假設。他們認為sp3碳的分子軌道首先與親電試劑的空軌道結合，隨后該碳上的氫發生遷移，與親電試劑中原有電子對占據的軌道重新組合（圖4）。由于他們用于建立模型的親電試劑為過氧化物，故反應至此完成。1999年，Que和Chen［8］提出了在烷烴催化氧化過程中有高價金屬氧代物參與的機理假設，并通過同位素標記等方法得到了金屬氧代物形成及其后續轉化的證據。

圖4　（a）碳氫鍵氧化機理模型；（b）由假設機理解釋cis-1，2-二甲基環己烷氧化選擇性

結合上述研究成果，這里筆者提出了一種Fe（PDP）催化氧化碳氫鍵反應的機理假設（圖5）。Fe（PDP）首先脫掉兩個乙腈配體暴露出Fe的配位位點，然后與氧化劑H2O2反應生成氧代高價金屬配合物；此時底物C-H分子軌道與金屬中心空軌道作用成鍵，通過四元環過渡態發生氫遷移，生成中間物種；最后通過還原消除得到目標產物，釋放活性催化劑，完成催化循環。

這一機理可解釋Fe（PDP）催化中影響選擇性的電子誘導效應和空間位阻效應：整個催化循環的關鍵在于C-H分子軌道中的成鍵電子對Fe中心的配位，故反應位點的電荷密度是影響反應的重要因素；分子軌道組合要求軌道對稱性匹配、方向正確，故限制了底物分子與催化劑的作用方向，一定程度加大了位阻影響。上文中提及的cis-1，2-二甲基環己烷一例可由此解釋（表1#2）。實驗中三級碳位點被氧化后，其立體化學的完全保留也從另一個側面驗證了這一機理的合理性。其中配體的主要作用是提供離域π體系，穩定中間物種的四價Fe金屬中心，同時提供不易變形的大位阻保證空間選擇性。此機理是否合理還有待進一步實驗證明。

3　Fe（PDP）催化體系的完善方向

Fe（PDP）體系是目前少有的能夠較為準確預測碳氫鍵選擇性氧化位點的催化劑體系，但從本質上講依舊只能針對傳統意義上最有活性的位點進行氧化，其選擇性也仍依賴于底物分子中各個碳氫鍵的自身性質。理想的碳氫鍵活化催化劑的選擇性，應該做到主動從催化劑的修飾出發，選擇所需位點進行反應。簡而言之，是針對所需位點修飾催化劑，而非因為催化劑有某種特性而只使用它做某種位點的反應。Fe（PDP）這類催化劑具有向理想化催化體系發展的潛質。這是由于多數碳氫鍵活化催化劑（如貴金屬等）均是以某一種效應為影響因素，由于只有一個尺度方向能夠調整，所以這樣的催化劑很難針對活性適中的位點進行活化；而Fe（PDP）體系則不同，除去由于不同分子的不同結構造成的電子立體效應外，還有電子誘導和位阻兩個尺度方向可以調控，這樣一來便可以反過來通過規律預測怎樣修飾的催化劑能夠活化何種特定位點的碳氫鍵。例如，現有一復雜分子需要實現某一個特定位點的碳氫鍵氧化，其位置從電子誘導效應的角度來看活性較低，但從位阻角度來看卻利于反應。此時可以考慮在不顯著改變催化劑電子分布的同時增大配體位阻，以達到位阻效應控制的目的（Fe（PDP）催化中二級碳的碳氫鍵優先反應即如此類）；反之則可以考慮在不改變配體位阻的情況下增強催化劑的Lewis酸性來實現優化。如此應用選擇性規律，則可根據復雜分子合成中的實際需求，對已有的催化劑骨架進行修飾。

圖5　提出的機理假設

Fe（PDP）在活化碳氫鍵的反應中優勢突出：其具有高催化效率和高選擇性，且整個催化體系符合環境友好的要求。在最優條件下，該催化劑的選擇性可以通過分析底物分子的電子分布、位阻及電子立體效應進行較為精確的預測。Fe（PDP）體系通過合理修飾，有發展為理想選擇性的催化體系的可能性。這里還提出了Fe（PDP）催化過程的假設機理，但其正確性還有待進一步實驗驗證。

［1］Clardy，J.；Walsh，C.Nature 2004，432，829.

［2］Sharpless，K.B.Tetrahedron 1994，65，4235.

［3］White，M.C.Science 2012，335，807.

［4］England，J.；Doyle，G.J.；Jacobsen，E.N.J.Am.Chem.Soc.2001，123，7194.

［5］Chen，M.S.；White，M.C.Science 2007，318，783.

［6］Chen，M.S.；White，M.C.Science 2010，327，566.

［7］Bach，R.D.；Andres，J.L.；Su，M.D.；McDouall，J.J.W.J.Am.Chem.Soc.1993，115，5768.

［8］Chen，K.；Que，L.，Jr.Chem.Commun.1999，1375.

［9］Yu，J.Q.；Shi，Z.C-H Activation；Springer:Heidelberg，2010.

［10］K?rti，L.；Czakó，B.Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis；ELSEVIER:San Diego，2005.

Activation of C-H Bonds Catalyzed by Fe（PDP）Catalytic System

ZHOU Xiao-Zhou*
（College of Chemistry and Molecular Engineering，Peking University，Beijing 100871，P.R.China）

The Fe（PDP）catalytic system which processes high efficiency and selectivity is introduced in this paper.Its selectivity rules have been clarified and applied to complicated organic molecule system. Based on the selectivity features of Fe（PDP）and current research advances on activation of C-H bonds by metal catalysis，a hypothetical mechanism is proposed.

C-HActivation；Fe（PDP）；Metal catalyst；Mechanism

O6；G64

10.3866/PKU.DXHX201601019

，Email:annezhou@pku.edu.cn