理论计算研究过渡金属-有机分子协同催化的酮的C-H或C-C键官能团化的催化机理及新催化体系的发展
批准号:
21573233
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
汪志祥
依托单位:
学科分类:
催化化学
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
党延峰、瞿双林、宋春雨、陶媛、郭建东、邓溪、卢宇
中文摘要
选择性催化活化C-H生成新的C-X(X=C或杂原子)提供一种“原子经济”、简捷的合成方法。醛/酮的C-H与烯烃的加成反应属于这类反应。早期提出的金属-有机分子协同催化(MOCC)策略能有效地实现醛的C(sp2)–H官能团化和基于C-C活化的酮与烯烃的反应, 但不能完成酮的C(sp3)–H官能团化。基于MOCC, 实验近来实现了酮与烯烃的α-C(sp3)–H烷基化和C–C活化的[4+2]偶联反应。虽然MOCC在合成化学中崭露头角,但没有得到深入研究和发展。我们拟用计算化学的方法深入研究实验实现的MOCC催化的C–H活化和C–C活化反应的机理,解释实验上的困惑。基于机理认识,我们将进一步以计算为“实验”手段设计新的有机共催化剂、拓展现在唯一使用的铑和铑(I)/铑(III)氧化还原循环到其它金属及氧化还原循环并探索实现更具挑战性酮的C(sp3)–H官能团化。该研究将促进MOCC化学的丰富和发展。
英文摘要
C–H bond is ubiquitous in organic molecules. The construction of C–C and C–heteroatom bonds via directed C−H bond functionalization, which could offer an atom- and step-economic synthetic method to access complex molecules, is appreciated to be the “holy grail” in the area of transition metal (TM) catalysis, attracting extensive research effort. The addition of a C–H bond of ketone/aldehyde to olefin represents such a family of C–C bond forming reactions. Metal-organic cooperative catalysis (MOCC) which combines a TM catalyst and an organic cocatalyst to functionalize a C–H bond cooperatively is a conceptually new strategy proposed for aldehyde C(sp2)–H bond functionalization to avoid decarbonylation side reaction in hydroacylation of olefin and aldehyde. The strategy later on was also found to be effective in promoting ketone C-C bond activation/functionalization. Despite these early successes, the functionalization of less reactive C(sp3)–H bond of ketone remained to be a challenge for a relatively long period. Recently, Dong et al. have advanced the strategy greatly. By elaborating the two components of MOCC systems, they accomplished the challenging C(sp3)–H bond functionalization of ketone, achieving Cα-alkylation of ketones with simple olefins, and synthesized bridged ring systems from cyclobutanones and olefins via MOCC-mediated C–C bond activation of ketone. Although the MOCC strategy has demonstrated its power in organic synthesis, relatively less attention has been paid to this strategy, leaving room for further development. Herein we propose using computational chemistry to deeply understand the mechanisms of MOCC strategy by choosing experimentally realized MOCC-based catalytic reactions as representatives, including ketone Cα-alkylation with olefins via directed C(sp3)–H bond functionalization and the catalytic reactions via activating ketone C–C bond. In addition to understanding the mechanisms of MOCC, the computed mechanism will be used to solve experimental puzzles and to serve as a base for mechanism-based development. After deeply understanding the mechanisms, we will use computation as an “experimental” mean to explore new MOCC chemistry: designing new organic cocatalysts, expanding the hitherto sole use of rhodium metal to other TMs such as cobalt and nickel, expanding the hitherto exclusive use of the Rh(I)/Rh(III) redox cycling to other redox cycling of TMs such as Co(0)/Co(II), Ni(0)/Ni(II), and Ni(II)/Ni(IV) manifolds. On the basis of the above studies, we will ultimately challenge the C(sp3)–H bond functionalization of more general ketone (such as linear ketones and cyclohexanone) which have been attempted experimentally but are not efficient and develop new MOCC systems to carry out asymmetric ketone C-C bond activation based transformations with higher yield and enantiomeic selectivity. We expect that these studies will promote the enrichment and development of MOCC chemistry.
发展基于储存丰富的廉价过渡金属的催化反应是实现绿色化学重要策略。由于催化过程的复杂性及第一过渡金属络合物存在多个可能的自旋电子态, 实验难以对催化机理进行深刻认识, 理论计算可以弥补实验的不足甚至优于实验。根据研究计划, 开展过渡金属(主要是第一过渡金属)催化反应的机理研究, 主要工作如下: 1)研究仿生加氧酶钴(II)-O2过氧化物活化腈加氧酶的化学活性,发现类似[1,3]-sigmatropic重排反应机理断裂O-O键的新模式; 2)研究无外碱镍催化的酸氟Suzuki−Miyaura偶联反应, 发现新的分步转金属机理较传统的协同机理要有利得多, 计算预言加入CsF添加剂可能实现无外碱的酸氯或酸溴的Suzuki−Miyaura偶联反应; 3)研究[Ti(IV)]=NPh催化的偶氮苯与烯烃和炔烃的碳胺化反应, 发现钛以氧化还原中性(Ti(IV)/Ti(IV)实现催化循环, 而不是实验化学家设想的按Ti(IV)/Ti(II)催化循环进行。提出发展钛催化反应的策略。4)对比研究PNP-Mn/PNP-Ru螯合物催化的腈与一/二级醇烯基化反应, 发现活化腈和经过类似OR-阴离子活化C-H键的新模式, 提出统一机理, 深刻认识这两类反应的催化根源。5)研究在有氧条件下钯催化的杂环化合物与tBuNC发生C-H键官能团化反应, 揭示该策略能克服挑战性的”杂原子问题”的根源: 反应物中(PyCONHOMe)甲氧基酰胺容易被氧气氧化, 原位生成活性L2Pd(II)X2中间体, 避免金属与环内杂原子配位, 因此反应物(PyCONHOMe)可通过oxidase 机理进行反应, 阻止破坏性的oxygenase反应。(6)发展了一系列基于高价碘或高价硫的[3,3]-, [5,5]-sigmatropic 重排反应, 实现无催化剂的多种芳基官能团化反应。通过对上述反应的热力学和动力学进行计算, 得到反应的最佳通道, 通过对关键过渡态和中间体的几何结构和电子结构的分析, 认识化学键生成或断裂的根源, 从而发现新的催化模式, 帮助实验改进或发现新的催化系统。在化学类主流杂志发表论文22篇, 包括J. Am. Chem. Soc. (1篇), Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Chem. Sci. (1 篇), ACS catalysis (1 篇)。
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A Unified Mechanism to Account for Manganese- or Ruthenium-Catalyzed Nitrile alpha-Olefinations by Primary or Secondary Alcohols: A DFT Mechanistic Study
伯醇或仲醇锰或钌催化的腈 α-烯烃化的统一机制:DFT 机制研究
DOI:
10.1002/chem.201806016
发表时间:
2019
期刊:
Chemistry - A European Journal
影响因子:
--
作者:
[Lu Yu, Zhao Ruihua, Guo Ji, ong, Liu Zheyuan, Menberu Wasihun, Wang Zhi Xiang]
通讯作者:
Wang Zhi Xiang
A DFT study unveils the secret of how H-2 is activated in the N-formylation of amines with CO2 and H-2 catalyzed by Ru(II) pincer complexes in the absence of exogenous additives
DFT 研究揭示了在没有外源添加剂的情况下,Ru(II) 钳配合物催化的 CO2 和 H-2 胺 N-甲酰化反应中 H-2 如何被激活的秘密
DOI:
10.1039/c7cc06795j
发表时间:
2017
期刊:
CHEMICAL COMMUNICATIONS
影响因子:
4.9
作者:
[Lu Yu, Liu Zheyuan, Guo Ji, ong, Qu Shuanglin, Zhao Ruihua, Wang Zhi-Xiang]
通讯作者:
Wang Zhi-Xiang
Viable aromatic BenHn stars enclosing a planar hypercoordinate boron or late transition metal
包围平面超配位硼或后过渡金属的可行芳香 BenHn 恒星
DOI:
10.1039/c7cp06955c
发表时间:
2018
期刊:
Physical Chemistry Chemical Physics
影响因子:
3.3
作者:
[Zhao Xue-Feng, Li Jia-Jia, Li Hai-Ru, Yuan Caixia, Tian Xinxin, Li Si-Dian, Wu Yan-Bo, Guo Jin-Chang, Wang Zhi-Xiang]
通讯作者:
Wang Zhi-Xiang
Gold-Catalyzed Atom-Economic Synthesis of Sulfone-Containing Pyrrolo[2,1-a]isoquinolines from Diynamides: Evidence for Consecutive Sulfonyl Migration
金催化从二炔酰胺原子经济合成含砜吡咯并[2,1-a]异喹啉:连续磺酰迁移的证据
DOI:
10.1021/acscatal.8b04934
发表时间:
2019-03-01
期刊:
ACS CATALYSIS
影响因子:
12.9
作者:
[Liu, Jibing, Chakraborty, Pushkin, Huang, Xueliang]
通讯作者:
Huang, Xueliang
A comparative DFT study of TBD-catalyzed reactions of amines with CO2 and hydrosilane: the effect of solvent polarity on the mechanistic preference and the origins of chemoselectivities
TBD 催化胺与 CO2 和氢硅烷反应的比较 DFT 研究:溶剂极性对机械偏好和化学选择性起源的影响
DOI:
10.1039/c8cc05788e
发表时间:
2018
期刊:
Chemical communications
影响因子:
4.9
作者:
[Chaoshen Zhang, Yu Lu, Ruihua Zhao, Wasihun Menberu, Ji, ong Guo, Zhi Xiang Wang]
通讯作者:
Zhi Xiang Wang
共 22 条
结合实验和理论计算发展过渡金属催化的C-B/10B还原交叉偶联反应及机理研究
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批准号:22573107
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2025
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负责人:汪志祥
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依托单位:
四齿螯合双功能金属催化剂的理论计算设计和实验合成
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批准号:22173103
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.00万元
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批准年份:2021
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负责人:汪志祥
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依托单位:
理论计算研究基于钛的催化反应机理及新催化体系的发展
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批准号:21773240
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项目类别:面上项目
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资助金额:64.0万元
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批准年份:2017
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负责人:汪志祥
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依托单位:
均相催化二氧化碳转化成甲醇的机理和新方法的量化计算研究
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批准号:21373216
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2013
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负责人:汪志祥
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依托单位:
基于量子化学计算的不含金属的氢化催化剂的理性设计
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批准号:21173263
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项目类别:面上项目
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资助金额:58.0万元
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批准年份:2011
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负责人:汪志祥
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依托单位:
采用量子化学计算方法,探索四配位平面碳在构建纳米分子中的应用
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批准号:20973197
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项目类别:面上项目
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资助金额:32.0万元
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批准年份:2009
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负责人:汪志祥
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依托单位:
应用量子化学从头算(φψχ1)三维势能面提高蛋白质经验分子力场的精度
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批准号:20773160
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项目类别:面上项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2007
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负责人:汪志祥
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依托单位:
国内基金
海外基金