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三篇Angew.一篇JACS!陕西师范大学在C-N偶联反应和MOF材料领域取得重要进展

来源:陕西师范大学      2021-09-09
导读:陕西师范大学绿色催化与合成团队在镍催化C-N键偶联反应领域取得重要进展,金属有机骨架材料化学研究中心在新颖MOF材料的合成与结构方面取得进展

绿色催化与合成团队在镍催化C-N键偶联反应领域取得重要进展

(1)光促进芳基卤化物与硝基芳烃的C-N偶联反应

过渡金属催化芳基卤化物与胺的Buchwald-Hartwig偶联反应是有机合成中使用最广泛的反应之一,在合成化学尤其是药物合成中得到了广泛应用。目前报道的胺化反应均采用胺或苯胺作为氮源。利用催化氢化过程,从硝基芳烃制备苯胺是目前广泛使用的方法。避免使用催化氢化过程,发展价廉易得的硝基芳烃与芳基卤化物的直接胺化反应具有重要的研究意义。

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在前期研究的基础上,陕西师范大学绿色催化与合成团队实现了光促进镍催化硝基芳烃与芳基卤化物的直接C-N偶联反应。该催化体系使用对空气稳定的Ni(II)-芳基络合物为催化剂,温和的三级胺DIPEA为碱,不需要外加光敏剂。该反应底物适用范围广泛,官能团耐受性好,对于邻位有空间位阻的硝基芳烃和卤代芳烃都表现出高的活性。

机理研究表明,亚硝基芳烃类化合物和Ni(I)物种可能是该反应中的两个关键中间体。Ni(II)-芳基络合物在紫光照射下通过Ni(I)/Ni(III)循环与卤代芳烃反应生成芳基自由基物种,该自由基与硝基芳烃产生的可能中间体亚硝基苯发生后续反应得到目标产物二芳基胺。该工作为Buchwald-Hartwig胺化反应的发展提供了一种步骤经济的新策略。相关研究工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,论文第一作者为陕西师范大学化学化工学院师资博士后李刚,薛东教授为论文通讯作者。论文信息:Angew. Chem. Int. Ed. 2021. 60, 5230-5234.(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202012877)。

(2) 光促进镍催化手性胺与芳基溴的芳基C-N键偶联反应研究

钯催化Buchwald-Hartwig胺化反应、铜催化的Ullmann-Ma反应是现代药物合成中应用最广泛的反应之一,在合成化学领域得到了广泛应用。相对于钯,金属镍更容易发生单电子转移,也更廉价,将光催化与镍催化体系结合,为有机合成中C-N键的构建提供了一种新的思路。尽管该领域取得了系列重要进展,但是手性胺、手性氨基醇、氨基酸或酯参与的手性保持的选择性C-N键偶联反应体系亟待研究。通过这类C-N键偶联反应得到的产物手性N-芳基胺、N-芳基氨基醇、N-芳基氨基酸或酯是合成天然产物、农药、香料、染料、和药物分子的重要砌块。

针对这一难题,绿色催化与合成团队从手性氨基化合物出发,实现了镍催化芳基卤化物与手性胺的选择性C-N键偶联反应。该方法使用可溶性有机胺DBU作为碱,紫光(390-395 nm)为光源,无需外加光敏剂,反应条件温和,底物适用范围广。手性脂肪胺、氨基醇、氘代手性胺、手性芳胺以及氨基酸酯均可适用于这一催化体系,得到对应的手性保持的N-芳基胺类化合物。芳基溴化物尤其是含对碱和亲核试剂敏感基团的底物在C-N偶联反应表现出高的反应活性;异丙基、甲氧基等邻位取代的芳基溴化物对于该体系也表现出了高的活性。溴代复杂药物分子在该催化体系中也表现出了高的反应活性和官能团兼容性,为镍催化C-N偶联反应在天然产物和药物合成的应用提供了研究基础。

作者对于反应机理进行了初步研究。紫外-可见吸收光谱分析表明:Ni(OAc)2-联吡啶络合物在 350-800 nm范围内的吸收峰明显强于Ni(OAc)2与(R)-1-苯乙胺形成络合物的吸收峰,很可能是吸光的主要物种。原位质谱分析证明:当醋酸镍、联吡啶和手性胺共存时,主要检测到了Ni(OAc)2-联吡啶络合物的存在,说明联吡啶与镍的配位能力明显强于手性胺。当原位制备的Ni(OAc)2-联吡啶络合物在紫光照射下1小时后,加入自由基捕获试剂N-叔丁基-α-苯基硝基(PBN),电子顺磁共振(EPR)光谱观察到了醋酸根自由基与PBN的加合物,表明Ni(OAc)2-联吡啶络合物在光照下可以发生均裂,生成醋酸根自由基和Ni(I)物种。进一步的研究发现,Ni(OAc)2-联吡啶络合物在光照下原位产生的Ni(I)物种在避光条件下可以催化该C-N偶联反应。由Ni(II)(OAc)2-dMebpy 和Ni(0)(dMebpy)(cod) 络合物原位产生的Ni(I)物种在光照和避光条件下都可以催化该C-N偶联反应。这些机理研究实验初步证明镍催化剂可能通过 Ni(I)/Ni(III) 循环完成催化过程。

相关研究工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,论文第一作者为陕西师范大学化学化工学院博士研究生宋戈洋,肖建良教授和薛东教授为论文通讯作者。论文信息:Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, DOI: 10.1002/anie.202108587.(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108587)。

金属有机骨架材料化学研究中心在新颖MOF材料的合成与结构方面取得进展

清洁能源的使用和低能耗的吸附分离技术对于缓解人们面临的能源短缺与环境问题具有重大意义,也与我国政府去年提出的碳达峰、碳中和“双碳”目标息息相关。为此,设计合成结构新颖的、存储和分离高效的多孔固体材料成为科学家们亟待解决的问题。金属有机骨架(MOF)材料作为一类新兴的多孔固体材料,在该领域具有潜在的应用前景,不过仍存在存储和分离效率低下的问题。针对这一现状,近年来我们团队致力于探索和设计合成结构新颖的金属有机骨架材料,在清洁能源甲烷的存储和轻质碳氢化合物的吸附分离方面取得了初步的进展。

(一)新型锆基金属有机骨架材料的合成、结构与甲烷储存和MTO产品分离

自2008年第一个锆基MOF化合物UiO-66报道以来,该类材料由于其优异的化学和热稳定性受到人们的广泛关注,众多结构优美和性能良好的锆基MOF材料被相继报道。然而,所报道的材料均是基于刚性有机桥连配体与金属锆通过配位键自组装而成。鉴于半刚性有机物丰富的构象和自适应性,我们合成了一个半刚性的三齿羧酸配体(TATAB),在溶剂热和双重结构导向剂的条件下,成功地构筑了两例结构新颖的锆基MOF化合物。

单晶X射线结构分析表明,spe-MOF中有机配体TATAB完全去质子化,并呈现出C1和C3两种对称性不同的构象异构体,与报道的锆基MOF化合物中有机配体仅仅具有一种构象不同。并且,该结构中含有常见的Oh和罕见的S6两种对称性的Zr6分子结构单元,从而形成了一个罕见的具有(3,3,12,12)拓扑连接的四组分MOF化合物。

进一步的拓扑拆分和合并分析表明,spe-MOF是由普通的(3,6)连接的spn拓扑网络与罕见的(3,6,12)连接的epw拓扑网络合并而成,因而具有高度的复杂性。并且,该结构还具有微孔的孔径特征,以及无开放金属位点、孔壁充满丰富的电负性基团的特点。因此,该材料在甲烷存储和MTO产品分离方面均具有良好的性能。该工作为半刚性多齿配体构建结构新颖的锆基MOF化合物方面阐明了新的思路。

该成果发表在《德国应用化学》期刊(Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie. 202103525),论文第一作者为陕西师范大学硕士研究生方翰硕士,通讯作者为陕西师范大学白俊峰教授与薛东旭副教授(论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103525)。

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(二)基于三维链基次级结构单元的新型金属有机骨架材料的网格合成、结构与甲烷储存

近二十年来,网格化学在金属有机骨架材料化学的发展过程中扮演着极其重要的角色。值得注意的是,所报道的MOF网格化学主要集中于金属簇基的金属有机骨架材料化合物。相比之下,基于金属链基的MOF网格化学则发展较为缓慢。根据该类化合物中链基次级结构单元的朝向的不同,可以将其划分为一维、二维及三维链基金属有机骨架材料。所报道的化合物中主要以一维链基MOF材料为主,往往含有简单的一维通道结构。尽管二维链基MOF化合物也有所报道,仍为数不多。而三维链基MOF结构则仅有一例,足见该类链接MOF合成的难度。这也与Yaghi等人的结构预测一致,即该类化合物中无机链的平移单元的长度应与二齿配体长度保持相等。

由于该三维链基MOF是在材料酸碱稳定性检验的过程中产生的,且没有永久多孔性,因而长期以来并没有收到人们的关注。但是,该结构是由立方堆积的三维链与三齿有机配体沿着四个三次轴相互连接形成,给了我们极大的启发:三齿配体而非双齿配体是合成三维链基MOF的有效策略。基于以上研究,我们分别利用单一的酰胺功能化的三羧酸配体和三羧酸与二羧酸混合配体策略,选用铟离子作为金属源,成功构筑了一系列三维链基MOF化合物。

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单晶结构分析表明:系列结构中都含有三维链基分子结构基元,与报道的三维链接MOF结构不同的是,这些三维链基分子结构基元呈现三方堆积模式;结构中的三齿三羧酸配体通过非共价键作用形成二聚结构,扮演着新型的六羧酸的功能;该系列结构中均含有笼状而非通道结构。而且,尽管该系列化合物均具有三方晶系的高对称性空间群,其拓扑分析的传递性仍分别高达18 42 和18 44,充分表明该类化合物的稀有性和合成的高难度。

值得一提的是,该系列化合物均具有较高的比表面积和孔体积。高压吸附性能测试表明,它们也具有良好的甲烷存储性能,其体积工作能力远远高于众所周知的链基Ni-MOF-74。总之,该工作不但合成了同网络的三维链基MOF,而且实现了真正意义上的三维链接MOF的网格化学,为合成具有高维的新颖链基MOF材料提供了新的思路。

该成果发表在《美国化学会志》期刊(J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1002/ jacs.1c04946),论文第一作者为陕西师范大学博士研究生张玉凤博士,通讯作者为陕西师范大学白俊峰教授与薛东旭副教授(论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c04946?ref=pdf)。



参考资料:

http://www.chem.snnu.edu.cn/neiye/show-11445.html

http://www.chem.snnu.edu.cn/neiye/show-11453.html

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