負載型多金屬氧酸鹽催化惰性碳氫鍵的選擇性轉化研究

《負載型多金屬氧酸鹽催化惰性碳氫鍵的選擇性轉化研究》是依託大連理工大學,由張鐵欣擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：負載型多金屬氧酸鹽催化惰性碳氫鍵的選擇性轉化研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張鐵欣

項目摘要

碳氫鍵的直接官能化具有重要的意義，被譽為化學的“聖杯”；惰性sp3碳氫鍵具有較高鍵能，不易發生反應，難以控制選擇性，sp3碳氫鍵的選擇性反應一直是化學家關注的挑戰性課題。高價態過渡金屬氧物種能夠有效轉化sp3碳氫鍵，還可活化很難參與反應的“遠端”sp3碳氫鍵，但對於缺少配位性導向基團的烷烴底物，選擇性通常不佳。金屬有機框架（MOFs）是一種結構、孔道可調，高度有序的新型多孔結晶材料，其內部孔道的尺寸、空間取向、拓撲結構的可控性使MOFs在非均相催化反應中體現可預期的“擇形”選擇性。這有望成為控制無導向基團的烷烴底物sp3碳氫鍵選擇性轉化的因素。鎢系多金屬氧酸鹽（POMs）具強氧化性，能夠攫取sp3碳的氫生成自由基物種。本項目擬將POMs負載到MOFs中，實現氧化與“擇形”的協同催化，分別實現無配位導向基團的烷烴在氧化反應中，以及烷烴脫氫後生成的自由基物種在共軛加成反應中的區域、立體選擇性。

結題摘要

碳氫鍵的直接官能化具有重要的意義，被譽為化學的“聖杯”。由於惰性碳氫鍵惰性具有較高鍵能，不易發生反應，且難以控制選擇性，因而高選擇性的碳氫鍵直接官能化反應一直是化學家關注的挑戰性課題。針對在生理、藥理領域具有重要套用價值的sp2碳氫體系的直接三氟甲基化反應中，選擇性難以控制等系列問題，本項目學習細胞色素酶P450在芳基氧化代謝機制，通過插入噻吩基團來調控金屬有機框架負載的光敏有機染料三苯胺的光電特性，增強其在可見光區的吸收；調控光氧化還原能力，使其在光照條件下可控生成具有高活性的三氟甲基自由基等中間體物種；通過控制生成過渡金屬節點的配位不飽和位點，錨定底物，模擬酶中的底物—催化中心作用機制，拉近底物代謝活性位點—光氧化還原中心間距離，控制反應中間態優勢構象。進而在光催化條件下，實現了優於均相體系的區位和非對映選擇性三氟甲基化反應，並成功套用於具有生物活性的精細化工中間體和藥物分子代謝活性位點的高選擇性保護。含有過氧鍵的青蒿素及其衍生物廣泛套用於惡性瘧疾的標準治療中，將三氟甲基引入到藥物分子二氫青蒿素分子中，能夠提升其結構穩定性並強化抗瘧疾的藥理活性。將過氧鍵與三氟甲基基團引入到同一分子中有助於結合兩者的優勢，烯烴的雙官能化反應為實現這個目標提供了可能。現有經由自由基機理的雙官能化反應難以實現好的區域選擇性。使用易合成、結構穩定、空腔孔道大的Cu3(BTC)2作為催化劑，利用其路易斯酸性節點活化Togni試劑，錨定高活性含三氟甲基正離子中間體，進而利用MOFs限域空間的“擇型”效應控制反應進程，在芳基烯烴體系中同時引入在生理、藥理學上具有重要意義的三氟甲基和過氧片段。輪槳狀銅{Cu2}活性位點附近的限域微環境，使反應具備迥異於均相體系的區域選擇性，並成功實現同一底物中不同烯烴之間的選擇性反應與選擇性保護，規避了均相反應中通常需要的保護與去保護過程，對含複雜結構藥物分子的轉化具有重要意義。