研究方向
本研究室提出并堅持“協同效應”以及“基于活性中間體和機理研究的合成化學”科學研究理念，長期緻力于發現金屬促進或催化的碳－氫鍵、碳－碳鍵以及碳－雜原子鍵的選擇性切斷與生成的方法學與規律，實現在合成化學中有用的新反應、新方法、新試劑，探索新一代物質轉化的途徑。
目前研究工作主要集中在以下六個方面：
一、雙（多）金屬有機合成試劑的合成、應用與機理：
金屬有機化合物作為合成試劑廣泛應用于合成化學有關的各個領域，極大地促進了合成化學的發展，一直受到學術界和工業界的極大關注。常見的金屬有機合成試劑如有機锂試劑、格氏試劑、有機銅試劑、有機鋅試劑、有機鋁試劑等都是單金屬試劑。從概念上講，如果一個分子中存在兩個或者多個碳-金屬鍵，則構成雙或者多金屬有機化合物。雙或者多金屬有機化合物中的碳-金屬鍵之間，或者在橋聯基團的配合下，将可能發生協同作用，經過與底物作用後生成的物種也可能進一步發生協同作用，從而表現出不同于其相應單金屬試劑的反應類型，甚至表現出全新的反應模式、新的協同作用模式和新的基元反應，并實現其它方法和試劑不能夠合成的新結構骨架的合成。
本研究室于1998年開始研究1,4-二锂-1,3-丁二烯化合物，并提出“雙锂試劑”以及“雙金屬有機合成試劑”概念。近期代表性論文：(a) Angew. Chem. Int. Ed. 2013, ASAP. (b) J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11964. (c) Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1342.
二、金屬有機雜環試劑的合成、應用與機理：
金屬有機雜環化合物是一大類金屬有機化合物，是金屬促進或催化的有機反應中常見的活性物種，一直受到學術界和工業界的廣泛關注。
本研究室于1998年開始研究金屬（锆、钛等）雜環活性化合物的合成、結構、應用與機理，發現金屬有機雜環活性中間體在配體的配位作用下，可以發生多種意想不到的結構變化，類似于一個“化學變形金剛”(Chemical Transformer)，實現了金屬有機活性中間體中化學鍵的選擇性切斷與重組，生成了其它方法不能合成的新型金屬有機化合物以及結構多樣的環狀有機化合物。近期代表性論文：(a) Acc. Chem. Res. 2011, 44, 541. (b) J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14042. (c) Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7227.
三、新型配體及其過渡金屬配合物的合成、催化應用與機理：
配體是過渡金屬催化的有機化學反應中的核心之一。設計、合成具有獨特結構和特色的配體是本研究室長期以來的工作目标之一。本研究室十餘年來發展了數個合成多取代環戊二烯以及雜環骨架化合物的新方法。在此基礎上，我們開展了新型配體及其過渡金屬配合物的合成、催化應用與機理研究。例如，我們利用自己發展的方法，合成了三類配體：L1，含有長鍊烷基的多取代環戊二稀配體；L2，一類分子内含有多取代環戊二烯（雙烯）以及磷原子的新型膦-雙烯配體；L3，含有多取代環戊二烯陰離子和氧負離子的多齒配體（簡稱OCp雙負離子配體）。目前的研究主要集中在三類配體導向催化反應的應用研究及機理探讨。
近期代表性論文：(a) J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20230. (b) Inorg. Chem. 2012, 51, 11941. (c) Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 8111.
四、常見惰性化學鍵碳-矽鍵、碳-氮鍵的催化活化、應用與機理：
惰性化學鍵的活化及其在合成化學中的應用研究近年來已經受到了廣泛重視，被稱為“化學中的聖杯” （Holy Grails in Chemistry），也被認為是新一代物質轉化的途徑。 高效、高選擇性地将碳-氫鍵、碳-碳鍵以及碳-雜原子鍵切斷（活化）并開發出實用的合成化學新反應、新方法，勢必會引起精細有機合成及合成化學工業的一場變革。同樣重要的是，通過選擇性活化或切斷化學鍵，不僅可以降解或解決人為生成的環境有害物質（如有機高分子材料），同時也可以作為新的合成前體化合物重新利用。
本研究室自1998年成立之日起，就将惰性化學鍵的活化與應用作為本研究室長期研究内容之一。利用我們自己發展的雙锂試劑的協同效應以及金屬有機雜環試劑與底物的協同效應，實現了一些碳-氧鍵、碳-氮鍵、碳-矽鍵、碳-氫鍵以及碳-碳鍵的選擇性切斷與應用。有關方面代表性論文包括：(a) Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 2950. (b) Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1913. (c) J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6238. (d) J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 9568. (e) J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 7172. (f) J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17188. (g) J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4564. (h) Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 1395. (i) Chem. Commun. 2009, 6569.
三烷基矽基是有機化學中常見的取代基，其中sp3碳-矽鍵和sp3碳-氫鍵是常見的惰性化學鍵。同時，二級及三級胺也是常見的有機化合物，其中sp3碳-氮鍵和sp3碳-氫鍵也是常見的惰性化學鍵。因此，近年來本研究室展開了過渡金屬催化的此類化學鍵的催化活化（切斷）與應用研究，嘗試以此為基礎建立矽雜環和氮雜環骨架的特色合成方法。有關方面代表性論文包括：(a) J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20230. (b) Org. Lett. 2012, 14, 4572. (c) Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 1934. (d) Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 1537. (e) J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9204.
稀土元素是一種重要的戰略資源，除了在材料領域有廣泛的應用外，各種稀土金屬有機化合物也表現出獨特的性質和用途。稀土金屬有機化合物與主族金屬有機化合物，各具獨特的物理化學性質，同時又具有一些類似性。稀土/主族雜雙金屬有機化合物，因在普通的極性和非極性溶劑中溶解度較低或因稀土金屬中心有高的配位數而反應活性不高，它們的研究明顯滞後。與中性稀土金屬有機化合物相比，稀土/主族雜雙金屬有機化合物，較穩定且較易合成。在充分認識到上述現狀和重要性的基礎上，通過配體和取代基的調控，開展高活性稀土/主族雜雙金屬有機化合物的合成及應用具有重要的現實意義。
我們通過多取代環戊二稀配體的改造，成功合成了一系列易溶的單茂稀土/锂雜雙金屬三烷基化合物，此類配合物具有很好的反應活性。另外，由于稀土金屬的特殊立體和電子效應，其相應的雜金屬環狀有機化合物還沒有文獻方法報道，我們已經建立了一個合成稀土/锂雜雙金屬高活性金屬有機化合物的方法，該類化合物為稀土金屬雜環有機化合物首例，預期這些化合物具有豐富的反應化學，目前正在研究。
碳二亞胺(R1N=C=NR2), 一類具有累積C=N雙鍵的雜聯烯化合物，由于其獨特的雜聯烯結構和電子性質，在有機合成化學領域中，作為一種多樣性的反應試劑，已被廣泛地用于雜環合成、環加成反應、在多肽和核酸合成中用作縮合劑。由于碳二亞胺中心碳具有豐富的插入反應化學，金屬有機化學家用它合成脒或胍配體穩定不同類型的金屬有機化合物。然而，前人研究僅涉及碳二亞胺的兩個反應位點：中心碳原子和C=N雙鍵。基于此，我們組開展了“基于機理和金屬有機活性中間體的碳二亞胺新化學”領域的研究，取得的研究成果主要包括：（1）發現了端炔、硫和碳二亞胺構建2,3-二氫嘧啶硫酮的新反應；首次實現了碳二亞胺中C=N和Csp3-H鍵的選擇性切斷與重組；（2）基于對反應機理的深入研究，發現了一系列新反應，并以此為基礎高效構建新型含氮雜環；（3）提出了酰氯活化碳二亞胺的化學；（4）利用簡單易得的催化劑實現了胺對碳二亞胺的加成構建胍或胍鹽。
1998 - 2008 年研究室研究方向
本研究室秉承“協同效應”的科學研究和管理理念，長期緻力于發現碳－氫鍵、碳－碳鍵以及碳－雜原子鍵的選擇性切斷與重組反應規律，實現一些在合成化學中有用的新反應、新方法，探索新一代物質轉化的途徑。目前研究工作主要集中在以下六個方面：
金屬參與的有機反應在現代有機化學中占據日益重要的地位，而Lewis酸促進的有機合成反應也有着悠久的曆史。本課題組将這兩種強有力的手段相結合，尋求切斷與重組化學鍵的新途徑。過渡金屬與Lewis酸之間“協同效應”的概念在本組最新發表的一篇綜述（Chem. Soc. Rev. 2007, 36, 1395）中進行了全面的闡述。Lewis酸對金屬有機反應的影響效果概述如下圖，其影響形式主要有3種：1）提高反應活性，即在沒有Lewis酸存在時，反應不發生，或者反應太慢，而加入Lewis酸，反應能夠發生或者反應速度加快；2）提高反應的選擇性；3）改變反應路徑。
本項目始于1998年。首先利用有機锆與有機鋁之間的金屬交換，實現了羰基化合物C＝O雙鍵切斷的一種新反應，并與兩分子炔烴以『2＋2＋1』方式環化高選擇性地合成了具有重要應用價值的多取代環戊二烯衍生物。該工作是羰基化合物切斷C＝O雙鍵與其他不飽和有機化合物形成C－C鍵的首例，同時也是合成多取代環戊二烯的一個新方法。本組進一步擴展了Lewis酸的範圍，深入研究了各種不同類型的Lewis酸對反應的影響。在此基礎上，進一步實現了羰基化合物、烯和炔烴分子間最終以『2＋2＋2』方式合成高烯丙基酮和2，5－二氫呋喃衍生物以及對異氰酸酯中不同雙鍵的選擇性切斷。
新型金屬有機試劑的研發和反應一直是金屬有機化學的前沿領域之一。本課題組從1999年以來，發現了新型的有機锂試劑¾1,4－二锂－1,3－丁二烯衍生物。處于1,4-位的二個锂原子空間上靠得較近，從而産生“協同效應”，在與各類有機底物反應時具有不同于普通有機锂試劑的特殊反應化學。有關這方面的研究工作在Eur. J. Org. Chem. 2004, 2773評論。最近的“雙锂試劑”研究工作表明，具有矽取代基的雙锂試劑可以發生新型骨架重排，并通過該骨架重排和分子内碳–矽鍵的切斷，生成多取代锂代矽雜環戊二烯。在此基礎上，本課題組相繼開發了其它雙金屬有機試劑（雙格氏試劑，雙鋁試劑，雙鐵試劑，雙銅試劑等等），深入展開了這類含丁二烯骨架的雙金屬試劑的反應化學研究。研究結果表明，“協同效應”讓這類雙金屬試劑顯示出獨特的反應魅力，進一步豐富了雙金屬有機試劑的反應化學，并且為合成多種重要的有機中間體及功能性分子材料提供了簡單有效的新方法（如：辛四烯，環辛四烯，三環[3.3.0.02,8]3,6-辛二烯，三環[3.3.0.02,6]3,7-辛二烯等等）。
單金屬有機試劑¾1－锂－1,3－丁二烯衍生物的反應化學
我們在研究1,4－二锂－1,3－丁二烯衍生物的反應化學中發現，碳－锂鍵和丁二烯共轭骨架之間具有協同作用。後來我們偶然發現，單金屬試劑¾1－锂－1,3－丁二烯衍生物在有機反應中也具有某些特異的反應性能。對于1－锂－1,3－丁二烯衍生物，至少有三個反應位點：1）烯基锂部分，2）1,3－丁二烯骨架，3）X取代基。烯基锂是一類非常活潑的反應試劑，它與一般的有機锂試劑相似，能同多種底物反應。然而，我們發現，1－锂－1,3－丁二烯衍生物能夠發生許多不同于普通有機锂試劑的反應，在制備環狀化合物方面有重要的應用。1－锂－1,3－丁二烯衍生物具備特殊反應性能主要是由于碳－锂鍵和丁二烯共轭骨架之間的“協同效應”所緻。這方面的研究工作以綜述的形式發表在Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 1021.
環戊二烯陰離子配體是穩定金屬有機化合物的最常見的配體之一，是過渡金屬配位化學和金屬有機化學發展史上最具代表性的配體。自1951年Pauson等人和Miller等人分别獨立合成二茂鐵之後，環戊二烯基金屬有機化合物被大量合成。這些化合物的特點之一，也是人們50多年來形成的關于這些化合物的“常識”，是其環戊二烯陰離子配體的“惰性”。在這些化合物促進的或者催化進行的反應中，其環戊二烯陰離子配體常常作為“旁觀者”。2003年我組與北海道大學高橋教授小組合作研究發現，在2分子腈存在下，二茂钛雜環戊二烯中的一個茂環配體被“撕裂”成兩個部分：一個3碳部分和一個2碳部分。這個3碳部分與2分子腈生成吡啶衍生物，而這個2碳部分與二茂钛雜環戊二烯中的環戊二烯部分生成取代苯。該工作被Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1463作為Highlight重點介紹。
在下圖所示的進一步工作中，我們合作研究發現了四取代钛雜環戊二烯上的一個取代基，伴随着環戊二烯陰離子配體骨架的斷裂，遷移至環戊二烯陰離子配體上形成茚衍生物。環戊二烯陰離子配體的這類新穎反應性将會進一步改變人們對茂環配體的認識。
有機矽化學在有機合成化學中占有特殊的地位。含矽化合物中矽–碳鍵較碳–碳鍵活潑，且具有多樣的反應性，因此，矽雜環化合物具有相對脂肪環化合物獨特的性質，吸引了大量有機和材料化學家的廣泛關注。二炔基矽烷(ArC≡C)2SiMe2是一類非常重要的含矽起始原料，研究發現它們在有機合成中有很好的應用。我們以锆雜環丁烯并矽雜環丁烯為活性中間體，發現锆雜環丁烯并矽雜環丁烯與炔烴反應選擇性形成炔基矽基取代的锆雜環戊二烯及锆雜環己二烯等重要中間體，由此合成了一系列矽雜環丁烯衍生物、炔基矽基苯基衍生物、炔基矽基烯丙醇及炔基矽基不飽和酰胺衍生物的新方法。有趣的是，通過對锆雜環丁烯并矽雜環丁烯與腈反應的研究，實現了矽橋聯二炔與三分子腈的分子間偶聯，“一鍋煮”合成了氮雜吲哚衍生物。在這個反應中，實現了對一分子腈中的碳氮三鍵的選擇性切斷。
最近，我們高化學選擇性和區域選擇性分離得到了2，5-二炔基锆雜環戊二烯中間體。這類中間體具有豐富的反應活性及應用價值。二炔基炔烷與其它金屬的反應性研究正在進行。
金屬促進或催化有機反應中活性金屬有機中間體的分離及表征
金屬有機活性中間體的分離及表征是有機、金屬有機和無機化學中最具吸引力和挑戰性的研究領域之一。反應的機理常常是随着對反應過渡态及反應活性中間體的研究而被認識，然而反應中間體往往對空氣和水分十分敏感，這給人們分離和表征這些中間體帶來很大的困難。目前計算化學作為一種輔助手段逐漸被人們用來研究反應機理，然而研究反應機理最直接有效的方法是分離得到真正的反應活性物種，并通過單晶衍射拿到其結構數據，分析其最可能的反應途徑。
這個項目起始于2007年，我們的研究目标是發現過渡或稀土金屬催化或參與的新反應，分離得到反應活性中間體，從而詳細研究其反應機理。
