BB娱乐平台登录艾弗森Nat Chem：新型钌催化剂的设计与合成

　　在众多催化剂中，钯、镍、钌等金属催化剂因其在交叉偶联、C-H官能团化以及聚合反应中的卓越性能而备受瞩目。特别是钌催化剂，由于其在一系列合成转化中展示出的强大多功能性，成为了研究的热点。然而，尽管钌催化剂被广泛应用于复杂分子的合成，许多现有的催化体系要求使用高温或光照条件，这不仅限制了其在敏感底物上的应用，而且增加了操作的复杂性和对专业设备的依赖。

　　此外，一些高活性的钌催化剂如[(C6H4CH2NMe2)Ru(MeCN)4]PF6因其对空气的敏感性，在实际操作中需要特殊的处理和存储条件，这限制了它们在非专业的合成实验室和工业环境中的普及。因此，虽然这些催化剂在理论和实验室规模的研究中表现出色，但它们的实际应用受到了限制。这些挑战突出了发展新型、稳定、高效的钌催化剂系统的迫切需求，以便它们可以更广泛地应用于各种合成场景，特别是在需要处理敏感底物或进行精细化学操作的场合。

　　为了解决这一问题，曼彻斯特大学Igor Larrosa教授课题组开展了一项旨在开发新型空气和湿气稳定的钌前催化剂的研究。他们的目标是设计一种既具有高本征活性又能在开放环境中稳定存在的催化体系，以此来克服现有高活性钌催化剂的局限性。经过深入研究，他们成功开发了一种名为[(tBuCN)5Ru(H2O)](BF4)2（简称为RuAqua 3）的钌前催化剂，它不仅在C(sp2)-H官能团化反应中展现出与空气敏感的钌复合物相似的高效反应性，而且其稳定性大大提高，能够在没有特殊防护措施的情况下存储和使用。

　　为了设计并合成一种空气和湿气稳定的钌前催化剂，作者首先设计了一种混合配体的前驱体催化剂，以克服现有催化剂在激活前需要高温或光照的缺点。通过锌还原商业可得的三氯化物水合钌(III)，再与过量的四氟硼酸银反应，得到了所需的混合配体前催化剂[(tBuCN)5Ru(H2O)](BF4)2。这一步骤可以在较大规模上进行，生成大量目标化合物。作者通过比较实验验证了复合物3与传统的空气敏感的单环金属化物种4和5在空气和湿气条件下的稳定性。结果显示，复合物3在空气中表现出良好的稳定性，且可在常见溶剂中稳定存在。进一步的NMR实验证明，复合物能够在温和的反应条件下，参与C(sp2)-H键活化反应，产生双环金属化物种，为其应用于C-H键官能化提供了有力支持。通过这些实验，作者成功地设计并合成了一种具有空气和湿气稳定性、并且具有较高活性的钌前催化剂，为合成化学领域带来了新的可能性。化学加——科学家创业合伙人，欢迎下载化学加APP关注。

　　为了进一步扩展RuAqua 3在C(sp2)-H键偶联反应中的催化能力和耐受性，作者进行了一系列实验。首先，为了测试RuAqua 3作为空气稳定替代品的效果，作者在与4相似的反应条件下进行了实验。结果显示，在使用RuAqua 3作为催化剂的情况下，利用N,N,N-三甲基苄胺盐16作为甲基偶联配偶体，成功实现了芳基嘧啶、吡啶、异喹啉和diazepam的直接甲基化。此外，RuAqua 3也被证明对结构复杂的雌激素单元具有优异的容忍性。其次，钌催化在C(sp2)-H功能化中的核心优势之一是能够实现对含氮定向基芳烃中的反应位点的精确选择。因此，作者进一步探讨了RuAqua 3是否适用于meta-选择性烷基化反应，并且是否可以在较温和条件下实现。实验结果表明，RuAqua 3可作为meta-选择性烷基化的前催化剂，在较低温度或光照下实现了优异的产率和单一异构体选择性。最后，作者进行了氢/氘交换实验，以探索RuAqua 3的反应机制。结果显示，在C(sp2)-H键活化过程中，氘源成功地被包含到反应底物中，产生了具有不同程度氘取代的产物。综上所述，图2展示了RuAqua 3作为一种稳定、高效的催化剂，在C(sp2)-H键偶联反应中的广泛应用潜力和适用性。

　　图2.RuAqua 3 作为前催化剂用于选择性的邻位和单选择性的芳烃甲基化以及适用于远端间位官能团化。

　　在图3中RuAqua 3的广泛应用性得到了进一步的验证，证明其可作为通用前驱体在各种合成转化中发挥作用。首先，通过将RuAqua 3作为催化剂，成功实现了对丁香酚的烯烃异构化反应，得到了β-甲基苯乙烯衍生物，产率极高，立体选择性良好（图3a）。其次，RuAqua 3还展现出对苯乙炔的反马氏规则选择性的1,2-羟基炔基化反应的催化活性，实现了高产率的生成。然后，RuAqua 3被应用于对金刚烷的直接氧化裂解反应，生成了两种不同的产物，产率良好。此外，通过RuAqua 3催化，成功促进了含有1,4,2-二氧杂唑-5-酮单元的化合物的柯提斯重排反应，并且产率极高。另外，RuAqua 3还能催化烯烃的氧化裂解反应，生成了相应的酮和/或醛类产物，产率较高。进一步，RuAqua 3在转移氢化反应中也展现了催化活性，将酮转化为相应的醇类产物，产率从中等到极高不等。最后，作者证明了RuAqua 3作为化学合成中的涉量前驱体的实用性，通过合成一系列不同结构的钌光催化剂，证明了其作为催化剂前体的广泛适用性，为更高效的光催化反应提供了可能性。这些结果表明，RuAqua 3具有在多种合成反应中发挥作用的广泛潜力，并且在其应用领域的进一步拓展中具有重要的意义。

　　为了评估RuAqua 3作为通用前驱体在发现新反应和加速合成优化中的潜力，作者进行了图4的实验。首先，作者选择了一系列不同类型的化合物作为底物，并使用RuAqua 3作为催化剂与不同还原剂同时反应，包括苯基硅烷和季戊醇硼烷。结果显示，在室温下，大多数反应底物都成功转化为产物，表明RuAqua 3在多种反应中具有广泛的适用性（图4a、b、c）。随后，作者针对XAT基自由基1,4-加成反应，使用RuAqua 3作为平台前驱体，通过与不同配体预先形成配合物，进行了高通量筛选。结果显示，在乙腈中，BPhen配体（L13）表现出最佳催化活性，在二氯甲烷中，Phen配体（L10）表现出最佳催化活性。这些发现通过验证使用单独合成的RuAqua 3衍生的光催化剂，进一步得到了验证（图4d、e、f、g、h）。这些实验结果清楚地表明了RuAqua 3作为通用前驱体在发现新反应和优化合成中的重要作用，为合成化学领域的进一步发展提供了新的思路和方法。

　　本文创新地制备了一种新型的气体和湿气稳定的钌前驱体 [(tBuCN)5Ru(H2O)](BF4)2。这项工作提供了一种简单易行的合成路径，能够大规模生产该钌前驱体，从而促进了其广泛的采用。此外，作者还展示了该前驱体在多种不同的有机合成反应中的应用潜力，包括邻位和间位C(sp2)-H键官能化、烯烃异构化、C-C键形成反应等。最重要的是，作者还展示了该钌前驱体作为一个通用的平台，能够加速发现新的合成转化，并通过高通量筛选和反应优化提高反应效率。