导语

惰性C−C键的选择性切断是构建复杂有机化合物最直接和高效的方法之一。由于较高的热力学稳定性和动力学惰性，惰性C−C键的选择性切断是化学领域公认的难题之一。特别是底物分子中同时含有张力环C−C键和芳环C−C键时，选择性切断芳环C−C键更具挑战性。联苯撑便是一个典型的例子。具体来说，联苯撑具有两种类型的C−C键，第一种是张力环内的C−C键，第二种是苯环中的惰性C−C键。当低价过渡金属与联苯撑反应时，通常会发生张力环C−C键对金属中心的氧化加成反应生成金属杂芴，这也是联苯撑与低价金属最典型的反应模式。然而，由于稀土金属不具有连续可变的氧化态，难以发生氧化加成和还原消除等双电子反应。稀土促进的联苯撑C−C键活化鲜有报道。近日，北京大学张文雄课题组报道了稀土促进的联苯撑高选择性C–C键断裂，实现了从联苯撑到苯并戊搭烯双负离子的新颖活化模式。相关成果以Communication的形式发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.3c01466）。

前沿科研成果

稀土促进的联苯撑选择性C−C键活化

联苯撑分子中同时具有活性的张力环C−C键和惰性的苯环C−C键，常被用做C−C键活化研究的底物分子。一般来说，低价过渡金属与联苯撑反应通常会发生联苯撑张力环C−C键对金属中心的氧化加成，从而生成金属杂芴。近些年，化学家们发现一价铝也可以实现联苯撑苯环C−C键的断裂。但是如何高选择性地、可控地断裂联苯撑的C–C键仍然是亟待解决的问题。与过渡金属或主族金属相比，稀土金属促进的C−C键活化研究较为匮乏。考虑到稀土中心难以发生连续变价的局限性，本文采用单脒-单茂配位的稀土氯化物与还原剂KC8结合的还原体系与联苯撑反应，通过改变稀土中心，分别实现了联苯撑张力环C−C键和苯环C−C键的高选择性断裂。通过对关键中间体的分离及DFT计算确认了反应机理并解释了化学选择性来源，为进一步研究金属促进的惰性C–C键活化提供了新的思路。

图1. 金属促进的联苯撑C−C键活化概况（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者首先尝试了钪氯化物1-Sc和石墨钾（KC8）与联苯撑一锅反应，经后处理和重结晶，分离得到了钪杂芴2a-Sc。对于过渡金属而言，金属杂芴的生成机制是联苯撑中C1-C7键与低价金属中心发生氧化加成反应。在1-Sc与联苯撑的反应中，因正一价钪难以稳定存在，很难通过氧化加成生成2a-Sc。利用原位1H NMR对该反应进行监测，结果表明该反应首先会生成一种中间体，该中间体会逐渐转化为产物2a-Sc。通过降低反应温度并缩短反应时间，他们成功分离到了反应中间体3a-Sc。实验结果表明在室温或加热条件下，3a-Sc可以当量的转化为2a-Sc。考虑到抗衡阳离子的配位模式可能会影响化合物的性质，通过向3a-Sc的THF溶液中加入螯合试剂18-冠-6（18-c-6），合成了配合物3b-Sc。在加热的条件下，3b-Sc可以转化为2b-Sc和苯并戊搭烯双负离子配位的钪配合物4b-Sc。从联苯撑到苯并戊搭烯双负离子的转化过程是一种新颖的联苯撑C−C键活化模式。

图2. 钪促进联苯撑C−C键活化（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

考虑到稀土中心的离子半径对稀土金属配合物的性质具有重要的影响，为了提高生成苯并戊搭烯双负离子的反应选择性，他们尝试了镥氯化物1-Lu、联苯撑、KC8和18-c-6的一锅反应。实验结果表明联苯撑可以当量转化为苯并戊搭烯双负离子配位的镥配合物4b-Lu。为了探究不同螯合试剂对该反应的影响，也尝试了以[2.2.2]-cryptand（crypt）作为螯合试剂。与18-c-6参与的反应结果类似，crypt参与的反应同样可以当量生成4c-Lu。与钪促进的联苯撑C−C键活化相比，将金属中心换为镥后，可以实现联苯撑到苯并戊搭烯双负离子的高选择性转化。为了研究4b-Lu和4c-Lu的生成机理，他们从反应体系中成功分离到了中间体3a-Lu，3a-Lu可进一步与螯合试剂18-c-6或crypt反应生成3b-Lu和3c-Lu。3a-Lu和3b-Lu的晶体结构显示，在1-Lu和联苯撑的反应中，联苯撑中的一个苯环发生了形式上的Birch还原反应，生成了联苯撑双负离子，且两个负电荷主要分布在C2和C5原子上。与之相比，在联苯撑双负离子配位的钪配合物3a-Sc的晶体结构中，两个负电荷主要离域在联苯撑双负离子的四元环上。这表明联苯撑双负离子与钪和镥配位模式的不同可能是导致反应选择性不同的重要原因。

图3. 镥促进联苯撑C−C键活化（单晶结构中抗衡阳离子[K(crypt)]+和[K(18-c-6)]+被省略）（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了阐明不同稀土中心所导致的不同反应选择性，他们利用DFT计算揭示了反应机理。计算结果表明配合物4b-Lu的生成机理如下：首先，3b-Lu中与Lu中心相互作用的六元环发生1,5-6π电环化关环，生成并环化合物IM1。从3b-Lu到IM1的活化能垒为27.3 kcal/mol，这一步是整个反应的决速步。随后，IM1会发生4π电环化开环生成IM2。最后，IM2发生1,5-氢迁移生成最终的产物4b-Lu。在反应过程中，由于IM1的环张力较大，导致3b-Lu通过6π电环化关环生成IM1的过程在热力学上是不利的。而后续4π电环化开环释放环张力的过程以及芳构化驱动的1,5-氢迁移反应为IM1的生成提供了驱动力。进一步的计算结果表明，3a'-Sc经过4π电环化开环生成钪杂芴2a'-Sc的活化能为26.8 kcal/mol，比生成相应的苯并戊搭烯双负离子配位的钪配合物的活化能低3.1 kcal/mol。综上所述，在稀土促进的联苯撑的C−C键活化反应中，稀土中心和螯合试剂都对化学选择性起重要作用。钪和镥显示出的不同反应选择性可能是RE−C σ键的极性和离子性不同所导致的，此外，Lu3+（0.977 Å）和Sc3+（0.870 Å）离子半径的差异也是导致反应选择性不同的重要原因。

图4. 稀土促进的联苯撑C−C键活化反应机理（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

综上，该工作实现了稀土促进的联苯撑高选择性C–C键断裂，为进一步研究金属促进的惰性C–C键活化提供了新的思路。该工作以“Selective Cleavage of the Strong or Weak C–C Bonds in Biphenylene Enabled by Rare-Earth Metals”为题在线发表在J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.3c01466）上。博士研究生朱苗苗、柴正祺和吕泽杰博士为该文共同第一作者，张文雄教授为通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金（杰出青年科学基金和重大项目）、北京分子科学研究中心的资助。特别致谢席振峰教授对CCREM课题组的无私帮助和鼎力支持！

张文雄教授课题组简介

张文雄2007年10月从日本理化学研究所回到北京大学化学学院有机所工作，任副教授，在席振峰院士课题组开展科研工作，2016年晋升为教授，2017年获得国家杰出青年科学基金。通过国际评估等程序，2021年1月始，在北京大学化学学院无机所建立“稀土金属有机化学”课题组（英文名称：Chemistry ofCarbon˗RareEarthMetals，简称：CCREM课题组，https://www.chem.pku.edu.cn/zhangwx/），任课题组长/PI。CCREM课题组秉承“CCREM（Confidence/自信、Cooperation/协同、Renovation/创新、Enthusiasm/激情、Mission/担当）”文化和协同管理理念。研究室的核心研究内容聚焦在稀土金属有机化学和白磷的活化与转化直接构建有机膦化合物。

张文雄教授简介

张文雄，湖南宁乡人，现为北京大学博雅特聘教授，博士生导师。1996年获湖南师范大学学士学位；1999年获广西师范大学硕士学位；2003年获南开大学博士学位（导师：宋礼成院士）；先后在北京大学化学学院（2002-2004年，导师：席振峰院士）和日本理化学研究所（2004-2007年，导师：侯召民教授）做博士后研究；2007年10月至今在北京大学化学学院工作，历任副教授（2007年）、教授（2016年），博雅特聘教授（2018年），博士生导师（2008年）。2015年获Thieme Chemistry Journals Award奖，2017年获国家杰出青年科学基金，2019年获宝钢优秀教师奖。

邀稿

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。来稿请联系C菌微信号：chembeango101。

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