普林斯顿化学开发出电子控制CH官能化催化剂

普林斯顿化学系 的Chirik 小组正在通过一种新方法解决金属催化 C-H 官能化的巨大挑战之一，该方法使用钴催化剂来区分氟代芳烃中的键，并根据其固有的电子特性对其进行官能化。

在本周《科学》杂志上发表的一篇论文中，研究人员表明，他们能够绕过空间控制的需要，并指导基团诱导间位选择性的钴催化硼化。

该实验室的研究展示了一种由对有机金属化学的深刻见解驱动的创新方法，十多年来，有机金属化学一直是其使命的核心。在这种情况下，Chirik 实验室深入研究了过渡金属如何破坏 C-H 键，发现了一种可能对药物、天然产物和材料的合成产生巨大影响的方法。

而且他们的方法速度很快——速度与依赖铱的方法相当。

主要作者、Chirik 小组前博士后Jose Roque在“C(sp 2 )–H 激活的动力学和热力学控制实现位点选择性硼化”中概述了该研究;博士后亚历克斯下园; PI Paul Chirik，Edwards S. Sanford 化学教授，前实验室成员 Tyler Pabst、Gabriele Hierlmeier 和 Paul Peterson。

“非常快，非常有选择性”

“几十年来，化学家们一直在说，让我们彻底改变合成化学，让 C-H 键成为分子的反应部分。这对于制药行业的药物发现或材料制造来说非常重要，”奇里克说。

“我们做到这一点的方法之一被称为 C-H 硼化，其中你将 C-H 键变成其他东西，变成碳-硼键。将 C-H 转变为 C-B 是通向伟大化学反应的大门。”

苯环是药物化学中高度代表性的基序。然而，化学家依靠传统方法来实现它们的功能化。Chirik 集团开发了新方法来探索较少探索的路线。

“想象一下，你有一个苯环，上面有一个取代基，”奇基克补充道。“它旁边的站点称为ortho，旁边的站点称为meta，对面的站点称为para。间位 C-H 键是最难选择性形成的键。这就是何塞用钴催化剂所做的事情，以前没有人做过。

“他制造了一种钴催化剂，速度非常快，而且选择性非常好。”

罗克现为普林斯顿大学化学系助理教授，他表示合理设计是他们解决方案的核心。

“在我们的化学计量研究中，我们很早就开始看到 C-H 激活的高活性，”Roque 说。“该催化剂在室温下快速激活芳香族溶剂的 C-H 键。为了分离催化剂，我们必须避免在芳香族溶剂中处理催化剂，”他补充道。“我们设计了一种电子丰富但空间可访问的钳形配体，基于我们实验室之前的一些见解以及一些基本的有机金属原理，我们认为该配体将产生更活性的催化剂。

“确实如此。”

Chirik 实验室目标自 2014 年起

最先进的硼化反应使用铱作为空间驱动的 C-H 官能化的催化剂。它的反应性很高，而且速度很快。但如果分子中含有许多 C-H 键，铱催化剂就无法选择性地官能化所需的键。

因此，制药公司呼吁寻找一种更具选择性的替代方案。他们在钴和铁等第一排过渡金属中寻找它，这些金属比铱更便宜且更可持续。

自 2014 年发表第一篇关于 C-H 硼化作用的论文以来，Chirik 实验室阐明了电子控制 C-H 激活的概念，作为应对这一挑战的答案。他们的想法是根据电子特性区分 C-H 键，以便将它们功能化。这些特性反映在金属-碳键合强度上。利用本研究中设计的催化剂，化学家可以通过利用这些不同的优势来击中选定的键，并且仅击中选定的键。

但他们发现了另一个使他们的方法具有优势的结果：可以通过利用 C-H 激活的动力学或热力学偏好来切换位点选择性。这种选择性切换可以通过选择一种试剂而不是另一种试剂来实现，这一过程既精简又经济。

“位点选择性间位氟官能化是一个巨大的挑战。通过这项研究，我们在这方面取得了一些重大进展，并将化学范围扩展到包括氟代芳烃以外的其他底物类别，”Roque 说。“但通过研究第一行金属，我们还发现，嘿，我们可以改变选择性。”

Chirik 补充道：“对我来说，这是 C-H 功能化的一个巨大概念。现在我们可以观察金属-碳键的强度并预测事情的发展方向。这开启了一个全新的机会。我们将能够做到铱做不到的事情。”

在罗克已经发现了关键的催化剂之后，下园在比赛后期才开始参与该项目。随着他寻求硼化作用的新进展，他的角色将在未来几个月内深化。

“何塞的催化剂是开创性的。通常，需要完全不同的催化剂来改变位点选择性，”Shimozono 说。“与这一教条相反，Jose 证明，使用 B 2 Pin 2 作为硼源可实现 间位 选择性化学，而使用 HBPin 作为硼源可 使用相同的 iPr ACNCCo 催化剂实现邻位选择性硼化。

“一般来说，我们在分子特定位点安装基团的方法越多越好。这为药物化学家提供了更多工具来更有效地制造和发现药物。”