巧妙的配体设计使酒精定向碳氢活化成为可能_科技

设计配体促进了这项工作背后的团队认为是第一个醇定向激活非反应的sp3碳氢键。将氢键相互作用结合到设计中，加强并组织了反应性复合物，这种方法可以应用于其他催化系统。

碳氢键功能化是有机合成中最通用的反应之一，但这些键的普遍性和惰性使得选择性转化极具挑战性。定向碳氢活化试图通过利用底物内现有的功能将金属催化剂锚定在特定键附近来克服这一问题，并且精心设计的配体允许化学家使用羰基和含氮基团来指导初始的金属结合相互作用。

但事实证明，醇——自然界中最常见的官能团——更具挑战性。“由于软金属中心和硬配体之间的不匹配，中性羟基和钯之间的相互作用被认为是弱的。美国斯克里普斯研究所(the Scripps Research Institute) Yu小组的博士后丹尼尔·斯特拉斯菲尔德(Daniel Strassfeld)解释说:“羟基也比大多数常用的导向基团有更多的可旋转键，使复合物更灵活。”“这两种情况都意味着羟基导向基团并不擅长将钯引导到我们想要激活的碳氢键上。”

A diagram of a chemical cycle wher<em></em>e Pd undergoes DG coordination, Agnostic complex formation, C-H cleavage and Palladcycle functio<em></em>nalization which leads back to Pd

ROH定向C-H活化的基本挑战:1，弱l型ROH与Pd的配位(II)与普通L、X配体的电荷不平衡;第三，声学复合体的预组织刚度不足;四是pd烷氧化物的竞争分解。

然而，Strassfeld和同事Chia-Yu Chen假设，通过设计一种促进氢键的配体，他们可以加强和组织醇底物和钯催化剂之间的关键相互作用。以芳基化反应为模型，他们开始系统地筛选含有氢键受体和内碱的双齿配体。

由于钯与羟基氧弱配位，氢键受体与羟基质子相互作用，加强了导向基团与催化剂的结合。同时，底物和催化剂之间的这种两点接触限制了键的旋转，使配合物保持在一个理想的反应方向上。配体的内部碱基同时与目标C-H键的氢形成氢键，降低了激活步骤的能垒，并在催化剂和底物之间提供了第三个接触点。

A diagram of a chemical reaction

与一系列配体L24-27的环丁烷醇δ-芳基化反应模型

Strassfeld和Chen很快确定了一系列苯基和环丁基底物的有希望的配体候选体，然后试图通过结合晶体学、反应性和计算研究来验证氢键机制。在配体或底物中去除氢键受体或供体基团不会导致反应，而DFT模型证实了氢键相互作用的强烈稳定作用。

这些早期的结果已经引起了其他研究人员的兴趣，他们渴望看到这将如何影响未来的反应设计。“这项研究给我留下了深刻的印象，”德国基尔大学(Kiel University)催化和配体设计研究员曼努埃尔·范·格默伦(Manuel van Gemmeren)评论道。他们彻底而合理的配体设计利用氢键来补充反应前络合物和过渡态中的弱相互作用，并通过精心设计的计算得到验证。这种设计逻辑可用于解决其他具有挑战性的基板类别。”

英国达勒姆大学(University of Durham)催化和配体设计研究员阿莱格拉·弗兰奇诺(Allegra Franchino)说:“这些配体结实、用途广泛，而且易于合成。”“这一机制的洞见将为扩大底物范围铺平道路，并可能开发出使用前手性醇底物的对映选择性方法。”

Yu的团队意识到这项工作仍处于概念验证阶段，但对扩展该方法的功能感到兴奋。“目前官能团的耐受性是有限的，我们只能用叔醇获得高产量，但我们预计这些限制将通过配体设计的进一步改进来解决，”Strassfeld评论道。“最明显的下一步是直接在这些结果的基础上扩展醇底物的范围和功能化步骤，包括其他种类的C-C键形成反应和c -杂原子键形成。”

这个故事的标题和开头句在2023年9月19日更新，以更清楚地说明这项工作的新颖性。

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