华中科技大学唐从辉课题组Angew. Chem.：高分散钴催化剂实现C=C键直接断裂合成肟醚和腈

导读

近日，华中科技大学唐从辉课题组在前期烯烃环氮丙烷化和双官能团化的工作基础上（J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 4142–4149.），实现了温和条件下烯烃C=C键断裂/胺化反应，通过条件控制可获得肟醚、肟酯及腈类化合物，相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI：10.1002/anie.202314364)。

正文

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

单原子催化剂具有100%的原子利用率、较大的比表面积以及明确的催化活性中心，是连接均相催化和多相催化的桥梁。自该概念于2011年首次提出以来，便引发了领域内的广泛关注。目前单原子催化剂主要应用于能源小分子气体的催化转化、燃料电池材料以及一些简单的有机反应，如氧化还原反应或化学键的偶联等，但就目前而言，有机反应类型仍然有所局限。下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

烯烃的催化转化是有效构建新的化学键的重要方式，利用单原子催化剂实现烯烃的转化亦是非常重要的研究热点。近日，华中科技大学唐从辉课题组在前期烯烃环氮丙烷化和双官能团化的工作基础上（J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 4142–4149.），实现了温和条件下烯烃C=C键断裂/胺化反应，通过条件控制可获得肟醚、肟酯及腈类化合物，相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI：10.1002/anie.202314364)。

本研究所用的单原子钴催化剂是根据前期发展的双金属有机框架（BMOF）策略，经高温热解形成的原子级高度分散的钴催化剂。经一系列仪器表征表明其结构中没有形成明显的纳米颗粒，钴以高度分散的单原子形式存在。

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在获取到催化剂后，作者首先以对称的1,2-二芳基乙烯为底物，在单原子钴催化剂作用下，以吸电子羟胺为氧化剂和氮源，在酸性条件下，实现了C=C键的断裂，得到两分子肟醚。在底物普适性方面，各种电性取代的反式和顺式对称烯烃，以及各种吸电子基团取代的羟胺均能适用该催化体系。另外，当使用苯甲酰基羟胺（3o-p）则可以得到肟酯类产物。

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当使用不对称烯烃、三取代烯烃时，可得到两种肟醚产物。此外，该反应还适用于复杂天然分子的后期修饰，在天然产物分子中成功引入肟醚。有趣地是，对于其他离去基团的β-苯乙烯类底物，如β-硼酸苯乙烯、β-溴代苯乙烯、β-硝基苯乙烯等，将这类分子混合与羟胺进行反应，可以一步实现肟醚的构建。

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值得注意的是，反应得到的产物可以发生进一步转化。肟醚类产物可以通过当量的碳酸铯处理，使N-O裂解从而得到腈。而肟酯类产物3o可以在三氯化铁作用下，与酚反应，进一步构建噁唑环衍生物。

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最后，作者展开了详尽的机理实验：控制实验表明，反应起始是由催化剂与羟胺的相互作用而引发；氘代实验表明，反应前后未发生H-D原子交换；催化剂热过滤实验表现出非均相反应的特征，同时也表明催化剂的稳定性；自由基抑制实验证明了自由基反应的历程，羟胺自由基被BHT所捕获并通过高分辨质谱检测到，证明了羟胺自由基的产生；KSCN抑制实验以及酸蚀实验，证明了催化剂的活性中心为单原子金属钴；通过时间动力学实验研究了TFA的酸促进作用对于反应进行是至关重要的；当以二苯基乙二胺为底物时，可在酸的作用下发生C-C键断裂，进一步证明了酸促进C-C断裂的作用，并猜测在反应进行中可能生成了邻二胺中间体。

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根据以上机理实验的结果，作者提出了一种可能的自由基反应途径。首先，羟胺作为氧化剂和氮源与钴催化剂形成中间体A, 随后转化为氮自由基中间体B，进一步与烯烃发生自由基加成并伴随自由基重组，得到邻二胺中间体C，最后，在酸作用下发生C-C键断裂，生成肟醚。

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总结

华中科技大学唐从辉课题组开发了高度分散的金属钴催化/酸促进催化体系，实现了烯烃C=C键断裂合成肟醚。该反应条件温和，适用范围广泛。机理实验表明其经历关键的自由基加成过程。该项工作为单原子催化剂在有机合成胺化反应中的应用提供了新的思路。

在本项研究工作中，华中科技大学为第一完成单位及唯一通讯单位，博士研究生薛文轩为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（22001086）、中央高校基本科研业务费（HUST 2020kfyXJJS094）、北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室（K202011）、“111”引智基地（B21003）的资助。

课题组介绍

华中科技大学化学与化工学院唐从辉研究员，本科毕业于华中科技大学，2011-2016年在北京大学直接攻读博士学位（导师：焦宁教授），随后在德国和美国的知名高校、研究所进行博士后研究(导师：Matthias Beller, David Sarlah, Liming Zhang)，2020年回国作为课题组长开展独立研究。课题组主要从事绿色合成反应、均相和多相融合催化、金属有机化学、液体有机储氢等研究。目前已发表SCI期刊论文34篇，总计他引4300次，其中以通讯作者和第一作者发表论文包括Chem. Rev.（1篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（6篇）等。主持在研国家自然科学基金青年项目、面上项目等纵向项目，曾获华中学者、武汉英才、北京市自然科学奖一等奖（5/8）、Reaxys PhD Prize等荣誉。课题组具有充足的科研经费、实验室空间和全新的实验设备，欢迎报考硕士、博士，申请联培研究生、科研助理和博士后。

更多详情请见课题组主页：https://www.thetanglab.com/

文献详情：

Direct C-C Double Bond Cleavage of Alkenes Enabled by Highly Dispersed Cobalt Catalyst and Hydroxylamine

Wenxuan Xue, Yijie Jiang, Hongcheng Lu, Bo You, Xu Wang, andConghui Tang*

Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202314364.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202314364

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