清华大学刘强副教授课题组：钴催化动力学控制的区域选择性烯烃异构化反应
上一篇 / 下一篇 2018-05-31 14:08:32/ 个人分类：人物与科研
刘强副教授课题组简介
刘强副教授课题组成立于2015年。目前课题组成员有博士后1名，博士生3名。课题组围绕均相催化的挑战性问题，基于金属有机化学发展新反应和催化剂，并注重利用物理有机化学手段进行深入的反应机理研究。通过对反应机理的认识进一步指导催化剂和反应的理性设计。目前的主要研究领域为廉价金属催化剂的开发及其在能源小分子催化活化和转化中的应用。课题组目前正处于上升阶段，长期招聘博士后及研究助理，热忱欢迎有志于金属有机化学、不对称合成、有机合成化学、均相催化、高分子合成研究的学生加入我们的研究团队。（联络邮箱：qiang_liu@mail.tsinghua.edu.cn）
刘强副教授简介
刘强，清华大学基础分子科学中心副教授，博士生导师。2003年进入武汉大学化学与分子科学学院学习，2007年获学士学位。同年进入武汉大学雷爱文教授课题组攻读博士学位，在过渡金属催化的偶联反应和相关反应机理研究方面开展研究工作，2012年获得博士学位。随后获得德国洪堡奖学金的资助，加入德国莱布尼兹催化研究所Matthias Beller教授课题组开展博士后研究，主要研究方向为C1小分子的催化活化及其在重要工业催化反应中的应用。2015年6月加入清华大学基础分子科学中心开始独立科研工作。刘强博士曾获2012年武汉大学"十大杰出青年（学生）"，2011年武汉大学"十大学术之星"等奖项，并于2010年入选中国优秀博士代表团受邀参加德国林岛诺贝尔奖得主大会。2015年入选中组部第十一批“千人计划”青年项目，2017年获得Thieme Chemistry Award。
前沿科研成果：钴催化动力学控制的区域选择性烯烃异构化反应
烯烃的异构化是有机合成中一类非常重要的反应过程。该方法既可用于高效制备其他方法难以直接合成的内烯烃产物，又可通过碳碳双键这一高反应活性官能团在底物上的迁移过程最终实现底物分子中初始碳碳双键远端位置的官能团化反应。如图1a所示，所有的烯烃异构化都是热力学驱动的反应转化。尽管研究人员已经发展了众多高效的催化体系用于烯烃的异构化反应，但是选择性控制仍然是此类反应的难点。热力学控制的反应选择性调控相对容易，例如烯丙基醇的异构化反应（图1b），只要双键在碳链上的迁移过程是迅速而且可逆的，那么反应的主要产物必然是热力学上更稳定的醛类化合物。而在实际合成中，异构化反应的目标产物不一定是热力学最稳定的烯烃异构体。因此，这类反应的选择性调控更加困难。例如，在1-烯烃至2-烯烃的选择性转化反应中（图1c），双键可能继续发生迁移生成能量相近的其它烯烃异构体。要想控制反应的2位选择性，催化剂必须能够区分1-烯烃和2-烯烃在反应活性上的差别并使得反应活化能ΔG≠1<ΔG≠2，而目前可高效地实现该选择性调控的催化剂鲜有报道。最近，清华大学刘强课题组和焦雷课题组合作发展了一类钴催化动力学控制的选择性烯烃异构化反应。在此工作中，作者系统研究了1,1-双取代烯烃的异构化反应（图1d）。当反应底物中有两个可能的反应位点a，b时，碳碳双键能够高选择性地迁移至位阻较小的a端。要有效调控这类反应的选择性，就要求所使用的催化剂不仅具有高的反应活性，还能够非常精准地识别底物上R基团所引起的微小位阻效应差别，使得反应活化能ΔG≠2<ΔG≠1，ΔG≠3，这无疑是更加具有挑战性的。
图1. 几类典型的烯烃异构化反应势能面
（来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01815）
作者发展的一类钳形钴催化体系可以应用于环状以及链状1,1-双取代烯烃的异构化反应【图2，eq.（1）】，还可以实现1a至2a的高效、高选择性异构化反应【图2，eq.（2）】，这是焦雷课题组最初设计的天然产物Minfiensine全合成工作中的关键步骤，而传统的酸促进的1a异构化反应则主要生成双键迁移至另一侧的产物3a（2a:3a=1:2.3）。此外，作者在端烯γ位引入取代基团R，可以有效地控制1-烯烃向2-烯烃的选择性转化【图2，eq.（3）】。
图2. 钴催化的区域选择性的烯烃异构化反应
（来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01815）
在实验研究基础上，作者提出了金属氢迁移插入/β-氢消除的反应机制（图3），其中β-氢消除步骤决定了异构化反应的区域选择性。结合DFT计算，作者对β-氢消除过程中两种可能的过渡态结构（TS2a及TS2b）进行分析。在TS2b中，配位的吡啶基团和底物分子的间位取代基团R存在排斥作用，而这种相互作用在优势过渡态TS2a中是不存在的，从而解释了配体效应如何实现反应的区域选择性调控。
图3. 烯烃异构化反应机理
（来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01815）
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，该论文作者为：Xufang Liu, Wei Zhang, Yujie Wang, Ze-Xin Zhang, Lei Jiao* and Qiang Liu*。
经过两年多的努力，刘强课题组所发展的这类高自旋的钳形钴络合物实现了能源小分子氨硼烷的高效催化活化，可以用于立体选择性的炔烃转移氢化反应，高选择性地制备(Z)-烯烃和(E)-烯烃；以及化学选择性的氰基转移氢化反应，高选择性地合成一级胺、二级胺和三级胺类化合物；还可以实现区域选择性的烯烃异构化反应，得到双键迁移至位阻较小一侧的内烯烃产物。
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