注：文末有本文科研思路分析
在温和条件下，利用有机配体支撑/配位的过渡金属配合物为催化剂，以氧气或双氧水为环境友好的氧化剂，选择性催化C(sp3)-H氧化是有机合成化学领域非常重要和挑战性的反应，其羰基产物是用于有机合成后续转化的非常有用的结构单元。尽管一些贵金属和非贵金属的过渡金属络合物（如铁、钯、铜、钴、锰和铱）等用于C-H氧化过程在学术上取得了不错的过程。然而，这些催化体系的共同特征是使用复杂且不方便的有机配体来改善催化活性和选择性，由于有机配体在反应中易于发生氧化自降解，金属络合物催化剂在温和条件下的耐久性和可再循环性仍然是工业和合成化学中的主要挑战，限制其进一步的工业化应用（图1a）。
图1. 铁催化的C(sp3)-H氧化
为了解决其工业化应用的难题，余焓博士（上海应用技术大学和清华大学）、韩生教授（上海应用技术大学）和魏永革教授（清华大学）提出了“无机配体支撑/配位的金属催化剂”的理念（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3867-3871；Chem. Eur. J., 2017, 23, 13883-13887；Chem. Commun., 2018, 54, 10164-10167；ChemCatChem., 2018, 10, 1253-1257；ChemCatChem., 2018, 10, 4274– 4279；Org. Chem. Front., 2018, 5, 3454–3459；Dalton Transactions, 2018, 47, 13323–13327；Communications Chemistry，2019, 2, 15 doi.org/10.1038/s42004-019-0109-4；Chem. Commun., 2019, doi.org/10.1039/C9CC03939B；Green Chem., 2019, 21, 4069-4075；Green Chem., 2019, 21, 4550-4554）。
在此次C-H活化反应研究中，以来源广泛的廉价无机盐(NH4)6Mo7O24•4H2O和Fe2(SO4)3为原料，水中一步合成了无机配体支撑/配位的铁催化剂：(NH4)3[FeMo6O18(OH)6]•7H2O（Figure 1b），新催化剂的结构特征和基本原理是利用具有优良电子转移能力的金属氧化物MoVIO6作为无机配体，与铁金属络合配位，在铁过渡金属周围形成电子蓄水池，通过均相催化等手段控制电子的转移，从而控制化学反应的选择性和活性。
初期研究中，分别以苯乙烷、2-苄基吡啶和环己烷三种具有不同活性的亚甲基化合物为模板底物，在反应条件优化中，通过对添加剂、温度和双氧水量的调节，进行了反应条件的优化，最终三种底物均取得了优异的反应选择性和产率（图2）。其中，添加剂的种类对反应选择性和产率影响尤为显著。
图2. 使用三种模板底物评价铁催化剂
在均相催化反应的体系中，通过添加剂的加入，可以显著提高反应活性或选择性，有时还可以神奇地改变反应途径。然而，添加剂在催化反应中的具体机理还不清楚。为了解释清楚添加剂在催化反应中的具体作用机理，作者受到中国古代哲学五行概念的启发，认为催化体系中的元素（底物、催化剂、添加剂、溶剂和温度等）在催化反应的过程中并不是单一作用，而是整体协调“相生相克”作用。同时对催化反应的各个元素做全局研究在目前的科学手段上是不现实的，作者首先以添加剂和催化剂为研究对象，对其进行单晶结构培养，得到了铁催化剂和添加剂的阴离子以氢键结合的单体超分子结构（图3），控制实验证明其为真正的催化剂活性物种。通过CV进一步研究表明，不同添加剂加入可以调节反应体系的氧化还原电位，证实了各反应元素在反应体系中是协同效应。
图3. 阴离子（Br-）协同的铁催化
通过控制实验结合单晶结构以及前期研究，提出了可能的反应机理。
图4. 控制实验及可能的反应机理
对底物范围的研究表明，活化和未活化的脂肪族C-H键（41个实例）化合物，包括天然产物骨架，可以高选择性转化为相应的酮（表1）。此外，铁催化剂是稳定和可回收的。
表1. 由1催化的选择性C-H键氧化为酮a,b
这一成果近期发表在Chemical Communications 上，硕士研究生赵启新为文章第一作者，余焓博士、韩生教授和魏永革教授为通讯作者。相关研究获得国家自然科学基金(21871183、21631007、21225103)、教育部博士点基金(20130002110042)、清华大学创新基金项目(20131089204)、天然与仿生药物国家重点实验室(K20160202)资助。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Iron-catalyzed oxidative functionalization of C(sp3)–H bonds under bromide-synergized mild conditions
Han Yu, Qixin Zhao, Zheyu Wei, Zhikang Wu, Qi Li, Sheng Han, Yongge Wei
Chem. Commun., 2019, 55, 7840-7843, DOI: 10.1039/C9CC03939B
导师介绍
魏永革
https://www.x-mol.com/university/faculty/12040
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：针对亚甲基的选择性氧化工业化问题，我们主要目的是利用提出的无机配体支撑/配位的催化剂具有制备简单、原料廉价、分子催化和绿色环保等优势，解决现有亚甲基的选择性氧化所需的过渡金属络合物配体制备困难、选择性低的问题。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中通过条件的优化，尤其是添加剂的优化，可以让三类不同活性的底物均取得优异的反应效果。但是，随之而来的添加剂的真正作用的解释是一个巨大的挑战，经过多次研究和思考，受到中国传统哲学文化五行协同的理念，我们坚信催化剂和反应体系中其它参数有协同作用，同时考虑所有参数的影响在现有科学水平上是很难得到确凿的证据的，因此我们先从添加剂和催化剂的协同效应来考虑问题，最终经过多次反复试验，通过单晶技术得到了添加剂和催化剂的超分子单晶结构，并证实了其在催化体系中是真正的催化剂活性物种。随后利用CV技术进行整体验证，证实了添加剂的加入改变了整体反应体系的氧化还原电势，从而改变了反应体系的活性和选择性。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：首先，我们提出的无机配体支撑/配位的金属催化剂理念，传统“有机金属络合物催化剂”比较，具有高效、简单、低廉、绿色、环保和可回收等优势，为目前化学工业生产上氧化等高污染的反应提供了全新的解决方案。其次，我们初步解释均相催化反应中的添加剂的具体作用机理，提出了添加剂超分子催化效应。医药、化工、能源和材料等领域的企业或研究机构将会从无机配体支撑/配位的金属催化剂理念和添加剂超分子催化效应中受到启发。
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