李邦玉，王耀榮

1.蘇州市職業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究室，江蘇蘇州，215104；2.蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工部，江蘇蘇州，215123

C-H鍵功能化是有機(jī)化學(xué)和金屬有機(jī)化學(xué)最具吸引力的課題之一[1-2]，而吡啶和喹啉等衍生物α位C-H鍵活化反應(yīng)是其中重要的一類反應(yīng)[3-4]。吡啶環(huán)廣泛存在于生物堿中，它具有芳香性，易進(jìn)行親核取代反應(yīng)，特別是在α位(2-位)與烷基鋰或芳基鋰發(fā)生烷基化、芳基化反應(yīng)，與氨基鈉發(fā)生氨基化反應(yīng)等[5]。吡啶(喹啉環(huán))配位到金屬原子上后，環(huán)上電子云密度會(huì)進(jìn)一步降低，更易發(fā)生親核取代反應(yīng)。本文結(jié)合筆者本人及所在課題組的科研成果，參考相關(guān)文獻(xiàn)，論述在還原劑如活潑金屬M(fèi)、低價(jià)金屬配合物、金屬氫化物(M-H)、金屬氨化物(M-N)和金屬有機(jī)化物(M-C)等作用下，吡啶和喹啉環(huán)上N鄰位C-H鍵的活化反應(yīng)。

1 金屬還原活化C-H鍵

1.1 活潑金屬鈉還原活化C-C偶聯(lián)反應(yīng)

1.2 低價(jià)金屬配合物分子內(nèi)還原活化

1.2.1 低價(jià)稀土元素還原活化C-H鍵

2010年，沈琪課題組發(fā)現(xiàn)，在席夫堿配體相同的情況下，可以制備出還原能力較弱的銪的相應(yīng)二價(jià)席夫堿銪配合物；而難以得到還原能力較強(qiáng)的鐿和釤等相應(yīng)二價(jià)席夫堿稀土配合物，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀装l(fā)生氧化還原反應(yīng)生成三價(jià)稀土席夫堿配合物[7]。在-60℃下，將三齒席夫堿配體HL1的THF溶液慢慢滴加到二價(jià)稀土胺化物L(fēng)n[N(SiMe3)2]2(THF)2(Ln=Yb，Sm)的THF溶液中(摩爾比為2∶1)，結(jié)果喹啉環(huán)和C=N基團(tuán)之間形成C-C鍵而偶聯(lián)起來(lái)。筆者推測(cè)形成機(jī)理見(jiàn)圖2。席夫堿配體HL1與二價(jià)稀土胺化物L(fēng)n[N(SiMe3)2]2(THF)2按2∶1摩爾比反應(yīng)得到理論上的配合物A；該二價(jià)席夫堿配合物穩(wěn)定性差，在堿性條件下，中心二價(jià)稀土離子迅速活化喹啉環(huán)上α位的C-H化學(xué)鍵，消去二分之一H2分子，轉(zhuǎn)變?yōu)楹蠰n-C活性鍵的金屬有機(jī)中間體B，中心離子由二價(jià)氧化為三價(jià)離子；接著活潑的Ln-C鍵加成到另一配體分子中的C=N雙鍵中，形成最終的偶聯(lián)配體稀土配合物。

圖1 反應(yīng)圖示1

圖2 反應(yīng)圖示2

1.2.2 第七副族零價(jià)金屬元素還原活化C-H鍵

2008年，Zuhayra等報(bào)道了羰基锝A在室溫下和吡啶反應(yīng)，得到兩個(gè)羰基被吡啶置換的產(chǎn)物B，B在加熱下半小時(shí)就會(huì)氧化加成為C[Tc2(μ-H)(μ-NC5H4)(NC5H5)2(CO)6][8]，即兩個(gè)橋連的羰基被吡啶基和吡啶N鄰位脫下來(lái)的H橋連(圖3)。

圖3 反應(yīng)圖示3

其中A、B中锝為零價(jià)，而產(chǎn)物C中锝顯正一價(jià)，吡啶N鄰位C-H鍵被低價(jià)金屬锝(0)活化。同是第七副族的錸，也可發(fā)生類似的反應(yīng)。1983年，Nubel課題組由羰基錸合成了H負(fù)離子和吡啶基負(fù)離子雙橋連的配合物[Re2(μ-H)(μ-NC5H4)(CO)8](圖4)[9]。

圖4 [Re2(μ-H)(μ-NC5H4)(CO)8]

2 金屬胺化物中氨基活化C-H鍵

圖5 反應(yīng)圖示4

3 金屬氫化物活化C-H鍵

圖6 配合物Cp*Sc(C,N-η2-C5H4N)結(jié)構(gòu)圖

Watson等[13]在1983年就發(fā)現(xiàn)二甲茂镥氫化合物L(fēng)u(η5-C5Me5)2H也可以和吡啶等反應(yīng)，生成吡啶2-位C-H鍵活化衍生產(chǎn)物L(fēng)u(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)，反應(yīng)式如下：

Lu(η5-C5Me5)2H+C5H5N=Lu(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)+H2

圖7 反應(yīng)圖示5

4 金屬有機(jī)化合物活化C-H鍵

4.1 稀土金屬有機(jī)配合物活化C-H鍵

圖8 反應(yīng)圖示6

2006年，Stefan等[15]用含Y-C鍵的離子對(duì)配合物[YMe(THF)6]2+[BPh4]2-和吡啶反應(yīng)，配位的THF被吡啶置換，生成A，A中一個(gè)吡啶的2-位C-H鍵被相鄰的甲基活化形成過(guò)渡態(tài)B，最后消除甲烷得到含Y-C鍵的吡啶配合物(圖9)。

圖9 反應(yīng)圖示7

Watson等[13]在1983年就發(fā)現(xiàn)二(五甲基茂)镥甲基化合物L(fēng)u(η5-C5Me5)2Me可以和吡啶等反應(yīng)，生成吡啶2-位C-H鍵活化產(chǎn)物L(fēng)u(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)，反應(yīng)式如下：

Lu(η5-C5Me5)2Me+C5H5N=Lu(η5-C5Me5)2(C,N-η2-C5H4N)+CH4

2004年，Thomas小組[16]發(fā)現(xiàn)(聯(lián)吡啶)镥(五甲茂基)(烷基)(胺基)稀土配合物與CO反應(yīng)時(shí)，Lu-C活性鍵插入C-O鍵的同時(shí)活化了吡啶N鄰位的C-H鍵，同時(shí)發(fā)生三個(gè)化學(xué)鍵的反應(yīng)，結(jié)果由CO把聯(lián)吡啶和三甲基硅基甲基偶聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)新三齒配體配位到金屬镥上。類似地，(聯(lián)吡啶)镥(五甲茂基)(雙烷基)稀土配合物也可以與CO反應(yīng)，其中CO也把聯(lián)吡啶和其中一個(gè)烷基偶聯(lián)起來(lái)，說(shuō)明反應(yīng)中，也存在Lu-C鍵活化聯(lián)吡啶N鄰位C-H共價(jià)鍵的情況(圖10)。

圖10 反應(yīng)圖示8

其反應(yīng)中間體可能是生成了含Lu-C鍵的Lu(聯(lián)吡啶)(C,N-η2-C5H4N)配合物。如2007年，Jantunen課題組[17]發(fā)現(xiàn)，含一個(gè)THF、兩個(gè)吡啶配位的五甲茂基镥雙烷基配合物不穩(wěn)定，特別是當(dāng)通過(guò)抽真空的方式將配位在镥上的四氫呋喃脫去后，該配合物就轉(zhuǎn)變?yōu)檫拎鄰位C-H鍵活化后產(chǎn)物A，其中，镥離子和吡啶上N鄰位的C原子形成了Lu-C活性鍵，對(duì)此，他們通過(guò)配合物的X-射線單晶衍射圖進(jìn)行了確認(rèn)。此活化產(chǎn)物A不穩(wěn)定，他們?cè)?35℃低溫下培養(yǎng)出來(lái)的單晶放在室溫下即會(huì)逐步解離，不到2天就基本分解掉了(圖11)。

圖11 反應(yīng)圖示9

4.2 第四副族金屬有機(jī)配合物活化C-H鍵

1981年，Klei等[18]用Cp2TiR(R=alkyl)和2-取代吡啶或喹啉反應(yīng)，2-位的C-H鍵被活化，生成含Ti-C的吡啶Ti配合物，如(η5-C5H5)2Ti(C,N-η2-C5H4N)。1989年，Richard等[19]用Cp2Zr(CH3)(THF)(A)和甲基吡啶反應(yīng)，常溫下，在二氯甲烷中反應(yīng)20分鐘，得到兩種異構(gòu)體B(含量比為1∶1)，分離產(chǎn)率達(dá)84%(核磁監(jiān)測(cè)產(chǎn)率達(dá)90%)，反應(yīng)過(guò)程如圖12。B和丙烯常溫常壓下反應(yīng)45分鐘可得到插入產(chǎn)物C，產(chǎn)率接近100%。在常溫和低壓下催化甲基吡啶和丙烯偶聯(lián)，得到單一產(chǎn)物D。

圖12 反應(yīng)圖示10

綜上所述，當(dāng)吡啶和喹啉等衍生物在配位到金屬上后，通過(guò)活潑金屬還原劑、低價(jià)金屬配合物、金屬氫化物、金屬氨化物和金屬有機(jī)化物等可以活化N鄰位C-H鍵，導(dǎo)致C-H鍵斷裂，進(jìn)而得到各種取代吡啶化合物及其配合物。隨著研究的深入，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多、更好的活化試劑，活化研究會(huì)更系統(tǒng)、更有規(guī)律可循。

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