【人物与科研】兰州大学梁永民教授课题组：钌催化的自由基环化/芳烃间位选择性C−H烷基化反应
导语
自由基环化反应广泛应用于天然产物合成、药物化学和材料科学等领域，是一种重要的反应类型。近日，兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室梁永民课题组报道了将自由基串联环化与钌催化的芳烃间位选择性C-H官能团化相结合构建一系列芳基吡咯烷酮衍生物的反应。该方法对分子内环加成所生成的一级、二级和三级烷基自由基具有高度的间位C-H活化选择性。相关文章发表在ACS Catalysis 上（DOI: 10.1021/acscatal.1c00359）。
梁永民教授课题组简介
课题组长期从事金属有机化学和现代有机合成方法学，已取得了一系列重要成果，目前已经在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Chem. Commun., Org. Lett.等期刊上发表论文120余篇。
梁永民教授简介
梁永民教授（Professor Yong-Min Liang），中国化学会会士、博士生导师。1989年7月毕业于陕西师范大学化学系，1992年6月毕业于兰州大学化学系获硕士学位，同年留有机化学教研室任教，1998年12月获得理学博士学位。2001年至2002年在台湾清华大学化工系进行合作研究。2002年6月至2006年2月受聘中科院兰州物理化学研究所“百人计划”特聘研究员。现任兰州大学化学化工学院院长、国家“有机化学创新群体”学术骨干成员。1995、1998年获甘肃省科技进步三等奖，2002、2008年两次获甘肃省自然科学二等奖。
前沿科研成果
钌催化的自由基环化/芳烃间位选择性C−H烷基化反应
自由基环化由于其步骤有效性和原子经济性，已成为一种广泛使用的构建环状有机骨架的方法。自由基串联反应可以一步构建多个C-C或C-X键（如1,6-炔烃），引起了化学研究者们的极大关注。其中，通过自由基串联环化反应实现雌激素的全合成是经典的例子之一。近些年，有报道将自由基环化反应和过渡金属催化的芳烃偶联反应相结合，以实现更加复杂的串联反应。然而，这一策略往往需要将环化底物与预活化的芳环（如苯硼酸）进一步偶联来作为反应的终止步骤，冗长的实验步骤和昂贵的金属催化剂不符合绿色化学的要求。目前，将自由基串联环化反应和芳烃的间位选择性C-H官能团化相结合的多米诺反应尚未实现。
（来源：ACS Catalysis）
过渡金属催化的芳烃间位C-H官能团化反应近年来得到了广泛的发展。其中，由Frost、Ackermann等人通过σ-活化策略实现了钌催化的芳烃间位C-H官能团化反应。在钌催化芳烃C-H烷基化反应中，自由基中间体的化学性质和空间位阻对位置选择性有很大的影响。其中，1°级卤代烷更容易与钌金属中心反应生成芳烃邻位烷基化产物；2°、3°卤代烷更有可能经历单电子转移（SET）过程生成烷基自由基，然后烷基自由基优先加成到Ru(III)-C键的对位，从而得到芳烃间位烷基化产物。最近，Ackermann小组和Larrosa小组在这一领域取得了重大突破，实现了仲卤代烷的芳烃邻位烷基化，其中Larrosa小组采用了巧妙设计的环金属钌催化剂。因此，1°、2°、3°级卤代烷的反应性质是不同的，3°卤代烷更容易通过SET过程生成三级碳自由基。因此，作者设想3°烷基碳自由基可与分子内烯烃发生串联环化，生成1°、2°、3°级烷基自由基，从而在一个反应体系中同时实现芳烃间位的1°、2°、3°级的C−H烷基化反应。但是环化后存在诸多直接质子化、β-H消除等副反应。因此。克服上述困难，通过串联自由基环化反应，开发出一种高度间位选择性的芳烃C−H烷基化反应是非常有意义的。
此策略可合成诸多具有独特间位选择性的芳基吡咯烷酮衍生化产物，包含具有独特骨架的四并五螺环结构以及γ-内酯衍生物。该反应具有广泛的底物适用范围，通过分子内环加成所得到的1°、2°、3°级烷基自由基均能顺利转化为相应的目标产物，并兼容多种官能团及多样的含氮杂环导向基团。此外，嘧啶取代的苯胺衍生物做导向基时，反应得到了芳烃对位环化的产物。
为了探究反应的机理，作者进行了一系列机理验证实验，包括氢/氘交换实验、控制实验、动力学同位素效应（KIE）、自由基捕获实验、密度泛函理论（DFT）计算等研究，详细阐释了可能的反应机理。其中，DFT计算研究解释了所观察到的高度的芳烃间位选择性，并且为该反应过程更可能进行分子内环化而不是直接烷基化提供了理论依据。
（来源：ACS Catalysis）
综上所述，兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室梁永民课题组报道了通过σ-活化策略实现钌催化的自由基环化、芳烃间位选择性C−H烷基化反应，并用嘧啶取代的苯胺衍生物做导向基时得到了芳烃对位环化的产物。此外，作者还通过密度泛函理论（DFT）计算对反应机理进行了研究。该研究得到国家自然科学基金的大力支持，相关成果发表在ACS Catalysis上。兰州大学的苟学亚博士和香港中文大学的李宇科博士是该论文的共同第一作者，梁永民教授为本文的通讯作者。另外，西北师范大学的张博生副教授对该研究提供了大力支持和帮助。