双镍核催化炔烃二聚 - 氢芳基化构建五取代 1,3 - 二烯：开辟双金属协同催化新路径

在过渡金属催化炔烃的氢碳官能化反应中，传统单金属催化难以实现炔烃二聚 - 氢碳官能化并选择性构建五取代 1,3 - 二烯。研究人员开展双镍核催化炔烃与有机硼的二聚 - 氢芳基化 / 氢烷基化研究，获得高区域和立体选择性的五取代 1,3 - 二烯，为双金属催化机制提供新认知。

　　在化学的催化领域中，单金属催化剂在均相催化中占据主导地位，其所有基本步骤通常在一个金属位点上发生。然而，受到酶和多相催化剂中双金属活性位点的启发，双金属催化的发展为诱导新的中间体、反应性和选择性带来了可能。在过渡金属催化炔烃的氢碳官能化反应里，目前已开发的反应大多只能得到单炔烃插入的产物，对于不对称内炔烃与有机金属试剂的二聚 - 氢碳官能化反应，一直难以实现，主要是因为该反应常作为副反应发生，或者生成异构体混合物。而构建高度取代的 1,3 - 二烯在有机合成中具有重要意义，它是许多复杂有机分子和天然产物的关键结构单元，因此，开发新的催化模式以实现炔烃的二聚 - 氢碳官能化，高效构建五取代 1,3 - 二烯迫在眉睫。

中国科学院上海有机化学研究所、上海交通大学、南开大学等机构的研究人员，针对上述难题开展了深入研究。他们使用双吡啶二亚胺（PDI）配体的双镍配合物作为催化剂，实现了不对称内炔烃与有机硼的二聚和氢芳基化 / 氢烷基化反应，得到了一系列具有优异区域和立体选择性的五取代 1,3 - 二烯。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为炔烃的转化提供了新的策略，也为双金属催化机制的研究提供了新的思路，有助于推动双金属催化在有机合成领域的进一步发展。

研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：一是进行底物拓展实验，通过改变炔烃和芳基硼酸等底物的结构，探究反应的适用范围和底物兼容性；二是开展实验机理研究，利用自由基捕获实验、氘代标记实验、动力学同位素效应（KIE）实验、竞争反应、动力学研究以及 Hammett 研究等手段，深入探究反应的机理；三是采用密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面进一步揭示反应的详细机理，明确反应过程中的能量变化和电子转移情况。

下面具体来看研究结果：

1. 反应开发：以 1 - 苯基 - 1 - 丙炔（1a）和苯基硼酸（2a）为模型底物，对反应参数进行系统筛选。发现双镍配合物 A、NaBHEt₃和 t-BuONa 存在下，在甲醇（MeOH）和 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）混合溶剂中 80°C 反应时，能以 84% 的气相色谱（GC）产率得到五取代 1,3 - 二烯产物 4a。同时，研究还发现反应温度、溶剂以及双镍配合物中甲基 ene 连接基的长度等因素均会影响反应效率，且单核镍催化剂无法有效得到 1,3 - 二烯产物，凸显了双镍催化剂独特的催化活性和选择性。
2. 反应范围：在优化的反应条件下，研究人员探索了该方法的底物适用范围。对于不同取代基的芳基、烷基二取代内炔烃，无论是富电子还是缺电子取代基，都能顺利反应，得到相应的共轭二烯产物，产率在 52%-83% 之间。此外，杂芳环炔烃以及具有不同烷基取代基的炔烃底物也能兼容该反应。对于芳基硼酸，一系列对位和间位取代的芳基硼酸以及多取代芳基硼酸都能得到理想的 1,3 - 二烯产物。同时，三烷基硼烷与炔烃的反应也能顺利进行，得到相应的五取代二烯产物。该方法还适用于一些具有生物相关骨架的炔烃的官能化反应，进一步证明了反应良好的官能团兼容性。并且，对产物进行了一系列的合成转化，展示了该方法的合成多样性。
3. 实验和理论机理研究：通过一系列实验对反应机理进行研究。自由基捕获实验表明该反应不太可能是基于自由基的过程；氘代标记实验显示甲醇质子是氢芳基化反应的氢源，且质子转移不太可能是速率决定步骤；竞争反应表明苯环上带有缺电子取代基的炔烃在反应中更具优势；动力学研究表明反应速率与双镍催化剂 A 和炔烃 1a 的浓度呈线性关系，与芳基硼酸 2a 的浓度呈零级关系；Hammett 研究表明炔烃的电子效应对反应速率影响不显著，而富电子的芳基硼酸有利于反应进行。DFT 计算进一步揭示了反应机理，反应起始于炔烃三键在双镍核上的氧化加成，经过一系列步骤生成二乙烯基双镍中间体，最终通过还原消除得到产物。计算结果表明，第二个炔烃的插入是速率决定步骤，且与实验结果相符。

研究结论和讨论部分指出，研究人员成功开发了一种高效的炔烃与有机硼的二聚 - 氢碳官能化反应，使用双 PDI 双镍配合物作为催化剂，得到了广泛的五取代 1,3 - 二烯，具有优异的区域和立体选择性。该方法具有高官能团耐受性和广泛的底物范围，所得产物可进行多种转化，尤其适用于桥环双环化合物的高效合成。实验和理论机理研究表明，每个镍位点可促进两个炔烃的不同基本步骤，生成关键的二乙烯基双镍中间体，然后通过还原消除释放最终产物，这与经典的单金属催化有很大不同。这项工作可能会激发通过双金属催化开发新反应，并为工业 / 生物催化系统中的双金属催化机制提供更深入的理解，推动有机合成领域的发展，为相关领域的研究开辟新的方向。