陆展教授团队Chem. Soc. Rev.综述：金属催化端炔的马氏氢官能团化反应研究
官能团化的烯烃分子同时具有碳碳双键和活性官能团，是一类重要的合成中间体，可进一步转化为各种高附加值化合物，并在药物化学、有机合成、材料化学等领域有着广泛的应用。炔烃具有两个相互垂直的π键，在发生化学反应时具有丰富的反应类型，常常作为有效的合成子来构建多样化的产物。因为炔烃来源广泛，廉价易得，所以是合成官能团化烯烃分子的良好候选者。目前，化学家们开发了不同的策略来实现炔烃到烯烃的转化，其中，过渡金属催化炔烃的区域选择性氢官能化反应是一种原子经济性的方法。这种方法可以在炔烃中加成一个氢原子和一个其他不同元素，从而有效地制备官能团化烯烃（图1a）。因此如何绿色高效高选择性地实现炔烃的氢官能团化反应一直是有机合成化学家的研究热点之一。
过去三十年来，人们对金属催化的炔烃高选择性反应的兴趣日益浓厚，已经发展了一些有效的金属催化剂和催化体系，与此同时金属催化端炔的马氏选择性氢官能团化反应也得到了一定的发展（图1b）。然而，金属催化炔烃氢官能团化反应也存在一定的挑战性，使得高附加值的烯烃难以构建。例如，（1）末端炔烃的酸性氢往往对反应产生干扰；（2）由于配位模式丰富，反应可能经历多种不同机理，从而增加了调控反应的难度；（3）相较于反马氏官能团化产物，马氏官能团化产物是热力学不利的；（4）由于立体位阻的影响，一些反应中马氏官能团化产物在动力学上也较为不利。尽管近年来已有一些综述总结了不饱和烃的氢官能团化反应、氢转移反应及一些具有化学和区域选择性发散的反应，但金属催化端炔的马氏选择性氢官能团化反应尚未被系统性归纳。
图1 金属催化的末端炔烃马氏选择性氢官能团化反应研究
最近，陆展教授团队总结了关于金属催化末端炔烃的马氏选择性氢官能化反应，其中包括硼氢化、碳氢化、胺氢化、氧氢化、铝氢化、硅氢化、膦氢化、硫氢化、卤氢化、锡氢化、锗氢化等氢元素化反应。文章将炔烃马氏选择性氢官能团化的反应机理总结为主要的三种。 a） 与金属配位的炔烃受外来试剂进攻机理：炔烃与强Lewis酸性过渡金属配位，经反式亲核进攻反应和质子化过程得到产物（图2a）； b） 金属-元素催化机理：金属催化剂与试剂反应生成金属-元素中间体，被炔烃插入后经质子化得到产物（图2b）；c） 金属-氢催化机理：反应物通过与负氢物种转金属化或氧化加成形成不同价态的金属氢活性中间体，其金属氢键被炔烃插入得到烯基金属中间体，随后经直接的官能团化或经配体交换后还原消除生成产物并再生催化剂（图2c）。值得注意的是，在金属通过氧化加成生成高价态活性物种时，氧化加成的对象主要是活性较高的氧氢键，而生成的产物中金属氧键难以被插入，因此这类反应主要通过金属氢键被插入实现。
图2 金属催化反应的可能机理
文章对不同金属及其催化体系进行了分类阐述。贵金属催化剂和其催化体系具有很好的兼容性，是被研究和应用最广泛的催化体系。这种体系通过上述的几种路径均能完成反应。文章对丰产金属剂和催化体系进行了重点分析，钛催化剂容易通过路易斯酸作用与炔烃配位活化炔烃，随后被亲核试剂进攻得到产物；铁在与卡宾配体，菲啰啉配体或氮磷配体络合后能形成低价态铁活性中间体，分别催化炔烃的二聚，硅氢化和锡氢化反应；金属钴在不同电性的配体作用下，可以形成不同价态的钴氢物种或钴-元素物种，实现多样化的氢元素化反应；金属镍往往以镍氢物种催化反应；铜催化剂则由于铜与氧，硼的亲和性，在碱和硼酯的存在下易于通过铜硼物种实现质子硼化反应，同时在锡氢化及氢硫化反应中也有一定应用。此外，稀土元素钇在与三甲基硅基胺配位后能催化炔烃的二聚反应；锆催化剂及钍催化剂能够催化炔烃的氢硫化反应；钼盐或钼催化剂均能催化炔烃的锡氢化反应。
文章以氢官能团化反应的种类为脉络，归纳了反应类型、催化剂和机理。文章中所列举的代表性氢官能团化反应，为合成相关的官能团化烯烃化合物提供了有效的参考。同时，文章还指出了领域内的现存问题，如高效精准的催化体系依然匮乏，机理研究范式相对单调等，为进一步开拓领域提供一些借鉴。此外，文章中总结的一些单步反应具有很好的官能团容忍性，这为发现更多新组合反应提供了基础，为更加绿色高效的多样化合成提供了新思路。
相关成果发表在Chemical Society Review上。DOI: 10.1039/D4CS00167B。本论文的第一作者为浙江大学化学系2023届博士毕业生陈杰坪，其他作者为宁波大学材料科学与化学工程学院副教授魏文廷和浙江大学化学系2022级硕士研究生李卓成，浙江大学化学系陆展教授为本文的通讯作者。本研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中央高校基本业务费等的资助。
论文详情：
Metal-catalyzed Markovnikov-type selective hydrofunctionalization of terminal alkynes
Jieping Chen, Wen-Ting Wei, Zhuocheng Li and Zhan Lu*
Chemical Society Review, 2024, DOI: 10.1039/D4CS00167B
陆展教授课题组主页：
https://person.zju.edu.cn/lu
文 字：陆展教授课题组
编 辑：黄珍珍、张维娅
审 核：林旭锋
终 审：丁立仲