导向基团辅助的金属催化的C—H 键官能团化的理论分析

The transition metal catalyzed direct C–H functionalization has become an active area of organic synthesis and efficient strategy for the selective construction of new carbon–heteroatom (C–X) bonds. However, many important questions remain to be unresolved about the direct C–H functionalization, which include (1) how to activate the remote C−H bond, (2) the specific role of oxidizing directing groups in the reaction mechanism, (3) the reason why the similar directing groups give different products. In this program, we sought to study the reaction mechanism of the direct C–H functionalization by employing density functional theory calculations and hope that the insight provided through this study will help the effort in elucidating the factors influencing the reaction mechanism. The systematic study about the direct C–H functionalization is expected to lead to more efficient directing groups for direct C–H functionalization and more abundant substrates having substituents with different electronic properties.

金属催化的导向C—H 键官能化反应是目前有机合成方法学的一个研究热点，已经成为高效构建碳—杂原子键的重要手段之一。然而到目前为止，导向碳氢键的官能团化仍有很多方面未完全阐明，且未形成系统认识，如远程的C—H 键官能团化如何实现、氧化性导向基的作用原理以及相近导向基合成不同产物的原因等。因此，拟利用基于第一性原理的理论计算方法，深入阐明金属催化的导向C—H 键官能化反应机理，并阐明其发挥功能的关键要素，形成系统的导向基和底物设计体系，进一步拓展新的导向基、扩大底物范围、提高C—H 键官能化反应的自由度。

金属催化的导向C−H键官能化反应是目前有机合成方法学的一个研究热点，已经成为高效构建碳−杂原子键的重要手段之一。然而到目前为止，导向碳氢键的官能团化仍有很多方面未完全阐明，且未形成系统认识，如远程的C−H键官能团化如何实现、氧化性导向基的作用原理以及相近导向基合成不同产物的原因等。因此，本项目拟利用基于第一性原理的理论计算方法，深入阐明金属催化的导向C−H键官能化反应机理，并阐明其发挥功能的关键要素，形成系统的导向基和底物设计体系，进一步拓展新的导向基、扩大底物范围、提高C−H键官能化反应的自由度。经过四年的研究与探索，目前已完成Pd、Co、Ir、Cu和Rh等催化的C−H键官能化反应计算，用理论方法解决了导向基与合成路线的关联、导向基与氧化剂的关联以及导向基与区域选择性的关联等一系列重大科学问题，具有鲜明的研究特色和突出的系统性，并在此研究基础上进一步开展了金属催化的C−C键官能化反应计算，发展了一系列选择性调控策略，为催化剂的选取、底物的修饰等提供了理论指导。总共发表SCI文章20篇， 其中I区论文4篇、其它Top期刊论文6篇，被Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Accounts. Chem. Res.三大化学顶级综述性期刊引用达40余次，推测的反应机理模式被实验工作多次引用并成功指导相关化合物的合成，如德国明斯特大学的Glorius教授多次引用相关成果解决过渡金属催化的C−H键活化机理问题（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6506−6512; ACS Catal. 2018, 8, 242−257; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3208–3211）。在成果转化方面，解析金属回收机理并构建相应的脱除反应动力学模型，从而有效指导实验的最佳工艺技术参数及参数范围，获得一项横向项目的支持。