張文雄課題組實現了稀土中心上的交叉碳負離子偶聯反應

      近期，beat365官方网站張文雄課題組在Cell Reports Physical Science以全文的形式發表一篇題為“Cross-carbanion coupling at a rare-earth center”的研究性論文。

　　過渡金屬促進的還原消除反應是一個經典的基元反應，在這過程中，過渡金屬中心獲得兩個電子，兩個碳負離子失去一對電子後形成一根碳-碳鍵。與之相比，三價稀土價态穩定，不容易獲得兩個電子形成一價稀土，且一價稀土很不穩定，因此，還原消除反應在稀土金屬有機化學裡是缺失的（圖1A）。盡管人們已經合成了超過400例含雙碳負離子的稀土金屬有機化合物，通過稀土中心上的還原消除型反應得到碳-碳偶聯産物未見報道。這種現象可以歸結為動力學限制和熱力學障礙。首先，稀土碳鍵的強極性使得與稀土相連的碳原子具有高的負電荷，這使得兩個碳負離子片段的還原消除受到了強烈的靜電排斥作用。其次，還原消除所生成的一價稀土物種具有很高的反應活性，因此該過程為吸熱反應（圖1B）。在這種情況下，金屬-配體氧化還原協同方法為解決上述動力學和熱力學問題提供了一種可行的方法。加入氧化還原活性配體可以避免一價稀土物種的生成，有望将稀土中心上的還原消除型反應轉變為放熱反應，并降低反應動力學能壘。在之前的研究工作中，二烯骨架可以接受來自金屬或雙锂試劑的電子（Chem. Sci.2017,8,6852；Chem. Sci.2018,9,560；J. Am. Chem. Soc.2020,142,10705；Cell Rep. Phys. Sci.2022,3, 100831.）。基于此，他們利用稀土-二烯的氧化還原協同作用，在三價稀土中心上實現了二烯基碳負離子和苄基碳負離子的交叉偶聯反應。其中，二烯基碳負離子既是偶聯片段，又作為電子儲存體（圖1C）。

　　圖1. 金屬中心上的碳負離子偶聯

　　當脒基镥雜環戊二烯2a與2-甲基吡啶3a反應時，他們意外地得到了CC交叉偶聯産物4a（圖2A）。從2a到4a，發生了CH鍵活化及CC鍵偶聯，可看作是镥雜環戊二烯的1,4-氫烷基化過程。考慮到稀土碳鍵的強極性，通過鍵複分解的CH鍵活化是常見的。然而，根據前面的分析，CH鍵活化之後的CC偶聯卻是意料之外的。面對這一令人困惑的問題，他們進行了詳細的機理實驗和理論計算。首先，氘代标記實驗證明了吡啶苄位CH鍵對丁二烯骨架的加成。随後，通過動力學同位素效應（KIE）的測定，發現該反應在298 K下具有較大的KIE（14.3），這表明反應的決速步為CH鍵活化；同時，通過研究KIE與溫度的關系，發現CH鍵活化步驟存在質子隧穿效應。進一步的計算表明反應主要經曆了兩步：1）經由四元環過渡态的CH鍵活化得到中間體INT，這一步是決速步；2）中間體INT中的兩個碳負離子偶聯，發生形式上的還原消除反應得到産物4a（圖2B）。他們還對交叉碳負離子偶聯步驟進行了主作用軌道分析（PIO）。在碳負離子偶聯時，電子流向了镥與二烯的組合軌道，這反映了二烯片段既是偶聯組分，又作為電子儲存體。二烯骨架上的取代基，氮雜芳烴的種類，氮雜芳烴上的取代基和取代模式均可調，表明稀土中心上的交叉碳負離子偶聯這一關鍵基元反應具有好的普适性。

　　圖2. 稀土金屬中心上的交叉碳負離子偶聯

　　最後，他們實現了稀土介導的1,4-二锂-1,3-丁二烯1與2-烷基吡啶偶聯制備吡啶苄位二烯化産物6的一鍋三步合成循環（圖3A）。其中，多種不同取代基的雙锂化合物均能以中等收率得到最終産物，同時以較高的收率回收脒基二氯化镥。類似地，還開發了用于氮雜芳烴苄位烯丙基化的“半催化”循環，以1a和3a作為模闆底物，一鍋内循環三次後，能以71%的總收率得到目标産物（圖3B）。合成循環和“半催化”循環的開發，表明稀土中心上的交叉碳負離子偶聯具有潛在的合成應用。

　　圖3. 合成循環及應用

　　綜上，該工作利用金屬-配體氧化還原協同作用，實現了三價稀土中心上基于還原消除型機制的交叉碳負離子偶聯反應，并論證了這一新的關鍵基元反應的普适性和拓展了其在合成化學上的應用，為發展稀土介導的交叉親核偶聯反應提供了新的啟示。劉威博士和趙娅琦同學為該文共同第一作者，張文雄教授為通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家傑出青年科學基金、基金委重大項目和北京分子科學國家研究中心的資助。特别緻謝席振峰教授對稀土金屬有機化學課題組（CCREM課題組）的無私幫助和鼎力支持！

　　鍊接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101479