Nature：埃默里大学采用新型双铑催化剂实现碳氢键的官能化

实验室中对于复杂有机分子的合成主要依赖于诸如碳氧键或碳卤键等功能基团的引入和处理。由于碳氢键活性低，不具有位置选择性难以活化。而将碳氢键官能化使其能按人们的意愿改变，这是有机合成的标准逻辑范式的一种转变。为了能让这一方法变得广泛适用，需要寻找一种有效的策略来使得碳氢键具有位置选择性。而应对位置选择性问题，最有效的方法是依靠分子内反应或者有定向基团的底物。通过催化剂控制来决定底物分子的特定位点官能化，这是一个挑战也是一个潜在的可行之法。我们使用双铑催化剂，将正构烷烃和末端取代的烷烃化合物的碳氢键官能化，使其具有强位置选择性，以及不对映选择性和对映选择性。该反应过程产出量高，并且能与诸如卤化物、硅烷、酯类等功能基团相互兼容。研究表明，没有定向基团或锚定基团的分子，其碳氢键官能化反应也能够实现强位置选择性。

文献图解：

图1  通过供体/受体碳烯(卡宾)官能化的具有位置选择性的碳氢键

a, 通过供体/受体碳烯实现铑催化的官能化碳氢键的位置选择性趋势，可由空间位阻和电子效应之间相互作用的平衡来控制.
b, 先前的研究表明活化后的碳氢键位置选择性与催化剂的性质有关. Rh2(S-DOSP)2容易使二级、三级碳氢键官能化，而Rh2(R-p-PhTPCP)4则易使初级碳氢键官能化.
C, 研究结果表明，新的催化剂Rh2[R-3,5-di(p-tBuC6H4)TPCP]4能够使未激活的碳氢键官能化，使其具有位置选择性和立体选择性.
[小编注：文中未明确给出TPCP具体含义，根据文章内容本文中的TPCP代表的是：三芳基环丙烷羧酸(或羧酸盐)]

图2  TPCP羧酸盐双铑金属催化剂的合成

a, TPCP羧酸盐双铑金属催化剂原始的合成方法.
b, TPCP羧酸盐双铑金属催化剂合成的新途径：使预先准备的双铑络合物发生钯催化偶联反应. 详细的合成细节见补充材料(Supplementary Information).

图3   催化剂的优化研究

戊烷碳氢键官能化所用的TPCP双铑催化剂的性能测定和评估. 在C2位的位置选择性、不对映立体选择性、对映选择性和产出量的综合性能中最优催化剂为催化剂15，即Rh2[R-3,5-di(p-tBuC6H4)TPCP]4. 以冷却回流纯化的戊烷中添加1mol%的催化剂为标准反应.
详细实验细节见补充材料. 其中n.d.表示未测定含量。

图4   烷烃和取代正构烷烃碳氢键的官能化

a-c, 戊烷和取代正构烷烃使用Rh2[R-3,5-di(p-tBuC6H4)TPCP]4催化所得官能化的碳氢键的范围的测定和评估.
a, 化合物20-22为酯基的影响
b, 化合物23-25为修饰了的供体基团的影响
c, 化合物26-34为烷基取代基的影响
与戊烷的反应以戊烷为溶剂，与取代的烷烃反应是以取代烷烃3当量的二氯甲烷为溶剂.
完整的实验细节见补充信息。

图5   二铑催化剂的结构信息

a, α,β, α,β型Rh2(S-3,5-diPhTPCP)4催化剂的的计算结构
b, α,α,α,α型Rh2(S-3,5-diPhTPCP)4催化剂的的计算结构（稳定性比α,β, α,β型少5.0kcal/mol）
c,  Rh2[S-3,5-di(p-tBuC6H4)TPCP]4催化剂的X射线晶体结构,其中位上顶面的两个3,5-di(p-tBuC6H4)C6H3-基团用黄色标出。

文献小结

作者利用新型的双铑催化剂实现了对未活化碳氢键的官能化，不仅使碳氢键具有强位置选择性，而且具有对映选择性和不对映选择性，并且不需要定向基团或锚定基团的存在。研究表明，通过设计催化剂能够形成特定的有手性口袋来控制碳烯诱导的官能化碳氢键的位置选择性、对映选择性和不对映选择性，这对具有选择性的官能化的碳氢键的研究有着深远的影响，为碳氢键的活化提供了新思路。

文献原文链接：Site-selective and stereoselective functionalization of unactivated C-H bonds

文献补充材料链接：Supplementary Information

[小标注：文献的补充材料内容十分详尽(将近250页)，强烈推荐给对碳氢键官能化感兴趣的读者!]

本文由材料人编辑部尉谷雨提供素材，李卓编译整理。