C-C键的构建是有机合成转化中的基础。在过去几年中，利用过渡金属催化氧化的C(sp3)-H键官能化反应来构建新的C-C键成为研究的热点。在已经报道的这些反应中，两个不同的C(sp3)-H键的偶联反应是最具吸引力的。这种反应不需要对底物进行预先官能化，因此可以节省大量时间并减少废物的产生（图1a）。尽管在这一领域已有很大进展，然而利用过渡金属催化，快速高效地构建C(sp3)-C(sp3)键仍旧是一个巨大的挑战。
近日，南开大学徐大振（点击查看介绍）高级工程师及其指导的本科生创新科研团队通过廉价铁盐催化的空气氧化反应，首次实现了两个不同的C(sp3)-H键间的直接烷基化和羟基化反应，得到了C3-烷基和羟基取代的吲哚酮产物（图 1b）。这项工作取得了以下显著成绩：（1）它是一种新型的铁催化的C(sp3)-H双官能化反应，（2）反应能够在甲基和亚甲基之间形成C(sp3)-C(sp3)键，（3）使用空气（氧气）作为合成含氧化合物所需的氧化剂和氧源，（4）反应条件温和，不需要碱和配体。
图1. 过渡金属催化的C(sp3)-H/C(sp3)-H去氢交叉偶联反应
作者考察了各种带有拉电子或给电子取代基的吲哚-2-酮，以及喹啉、异喹啉、吡嗪、苯并噻唑、苯并噁唑和吡啶等各种烷基取代的N-杂芳烃，这些底物也均能顺利反应。实验结果表明，氮原子和烷基取代基在同一个杂环上是十分必要的。氮原子起到两个关键作用：（a）形成互变异构体，（b）氮原子上的孤对电子可以稳定反应中产生的中间体。随后，作者对该反应的机理进行了深入研究，包括：O18标记实验和自由基中间体的捕获等。证明了反应是自由基机理，产物中的氧源自空气中的氧气。
图2. 取代吲哚-2-酮与烷基N-杂芳环的偶联-羟基化反应
综上，南开大学徐大振高级工程师带领的本科生创新科研团队，报道了首例铁催化的两个不同C(sp3)-H键间的直接烷基羟基化反应。该反应可在温和的条件下进行，不需要配体和碱，使用理想的空气（氧气）作为氧化剂和产物中氧的来源，为合成C3-烷基和羟基取代的吲哚酮类化合物提供了一种绿色、高效的方法。
该研究成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 上，在读本科生胡仁铭和韩东阳为该论文的共同第一作者，徐大振高级工程师是本论文的通讯作者。
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Iron-Catalyzed Direct Oxidative Alkylation and Hydroxylation of Indolin-2-ones with Alkyl-Substituted N-Heteroarenes
Ren-Ming Hu, Dong-Yang Han, Ning Li, Jie Huang, Yu Feng, Da-Zhen Xu
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 3876-3880, DOI: 10.1002/anie.201913400
徐大振高级工程师科研创新团队简介
徐大振指导的科研创新团队全部由在读本科生组成，团队主要研究领域是空气氧化的去氢偶联反应。团队的理念是:开展科研前沿课题与本科生综合创新能力培养相结合，设计适合本科生做的实验，培养基础学科拔尖人才后备力量。
徐大振高级工程师简介
徐大振，博士，高级工程师。2004年、2008年和2011年分别获南开大学理学学士、有机化学硕士和有机化学博士学位。2011年获南开大学优秀博士毕业生并留校工作。2013年晋升高级工程师。徐大振先后获得南开大学“劳动竞赛示范岗”先进个人，第十四、十五届“挑战杯”天津市优秀指导教师。徐大振高级工程师主要研究新型高效的去氢交叉偶联反应，其从2016年开始致力于本科生拔尖科研创新能力培养工作，至今已在Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., Adv. Synth. Catal. Dyes and Pigments等国际化学期刊发表论文30余篇。独立指导本科生获创新奖20余项，其中国家级6项、省部级7项、校级11项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/63642
胡仁铭，文章共同第一作者，2016年考入南开大学化学学院，本科四年级。目前在宾夕法尼亚大学交流学习。
韩东阳，文章共同第一作者，2017年考入南开大学化学学院，本科三年级。胡仁铭和韩东阳在本小组均从事铁元素催化的去氢交叉偶联反应，并共同获得了第十五届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技作品竞赛特等奖和第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖。
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