第一作者：Timothy J. Fazekas
通訊作者：Erik J. Alexanian, Frank A. Leibfarth
通訊作者單位：北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校
選擇性的向烴類分子引入各種官能團(tuán)對(duì)于小分子和高分子聚合物都非常重要。
有鑒于此，北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校Erik J. Alexanian, Frank A. Leibfarth等報(bào)道一種容易合成的氧-烯基異羥肟酯試劑驅(qū)動(dòng)自由基鏈轉(zhuǎn)移，對(duì)脂肪族分子C-H鍵官能團(tuán)化。該反應(yīng)在溫和的加熱溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)一系列以往未曾實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)性小分子和聚烯烴中脂肪族C-H鍵進(jìn)行官能團(tuán)化。
該反應(yīng)不僅能夠?qū)Υ罅康男》肿舆M(jìn)行轉(zhuǎn)化，還能夠?qū)酆衔镞M(jìn)行官能團(tuán)化，對(duì)使用后的回收聚烯烴進(jìn)行功能團(tuán)修飾，而且能夠用于處理塑料廢品。通過(guò)C-H鍵官能團(tuán)化的方法在枝狀聚烯烴分子上引入離子型官能團(tuán)，能夠?qū)崴苄圆牧限D(zhuǎn)變?yōu)榫邆淅煨阅艿捻g性彈性體，因此得到高附加值的離子型聚烯烴。
研究背景
通過(guò)流水線和可持續(xù)的過(guò)程，直接將惰性脂肪族C-H鍵轉(zhuǎn)化為功能性官能團(tuán)，從而得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)有機(jī)分子，或者提高材料的性能。對(duì)藥物類似物分子進(jìn)行后期衍生化反應(yīng)能夠顯著調(diào)控分子的性能，成為一種強(qiáng)有力的手段生成醫(yī)療領(lǐng)域新型分子，有助于理解結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系和發(fā)展分子的從頭設(shè)計(jì)與合成方法。目前這個(gè)領(lǐng)域得到一定的發(fā)展，但是仍需要進(jìn)一步的發(fā)展新型C-H鍵衍生化反應(yīng)的方法。
目前的處理過(guò)程中，塑料在單次利用后95%的經(jīng)濟(jì)效益都損失了，尤其是占據(jù)聚烯烴中35 %的枝狀聚烯烴在機(jī)械彎折過(guò)程或者聚合物功能化的過(guò)程中經(jīng)歷鏈切斷問(wèn)題，因此導(dǎo)致聚合物的熱機(jī)械性能降低，因此聚合物的循環(huán)性降低。
在枝狀聚烯烴分子中安裝官能團(tuán)能夠提高廢塑料的熱塑性，因此有助于實(shí)現(xiàn)聚合物塑料更好的回收再利用。
目前人們發(fā)展了一系列將脂肪族C-H化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化的方法，能夠?qū)λ幬锓肿踊蛘呱虡I(yè)聚合物進(jìn)行后期衍生化，但是大多數(shù)的方法需要臨近導(dǎo)向基，需要對(duì)反應(yīng)的位點(diǎn)進(jìn)行控制，或者包含雜亂的反應(yīng)中間體，導(dǎo)致難以發(fā)展C-H鍵官能團(tuán)化方法。
圖1. (A) 通過(guò)N-酰胺自由基試劑進(jìn)行脂肪C-H鍵官能團(tuán)化 (B) 通過(guò)N-酰胺自由基試劑與一系列鏈轉(zhuǎn)移試劑配合進(jìn)行C-H鍵官能團(tuán)化 (C) C-H鍵官能團(tuán)化的HAT機(jī)理
現(xiàn)有的方法
通過(guò)高價(jià)態(tài)過(guò)渡金屬氧簇催化劑在C-H鍵官能團(tuán)化反應(yīng)中展示了較好的效果和前景，這種方法中兼容的產(chǎn)物種類比較少，因?yàn)檫@種催化劑在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生高氧化性的中間體。此外，基于卡賓或者重氮化合物的反應(yīng)方法得以發(fā)展，但是這些方法都存在較高的反應(yīng)條件限制。因此發(fā)展普適性的C-H鍵官能團(tuán)化方法具有非常重要的意義。
新方法
目前的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，雜原子中心自由基能夠以分子間的方式進(jìn)行惰性C-H化學(xué)鍵進(jìn)行位點(diǎn)選擇性官能團(tuán)化修飾，而且反應(yīng)物兼容廣泛的小分子和有機(jī)聚合物材料，能夠作為過(guò)渡金屬催化C-H鍵官能團(tuán)化的補(bǔ)充。展示了比較好的普適性，能夠得到含有多種多樣官能團(tuán)的聚合物。
這種方法通過(guò)N中心自由基對(duì)C-H鍵進(jìn)行氫原子轉(zhuǎn)移過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)惰性脂肪族C-H鍵進(jìn)行轉(zhuǎn)化。
圖2. 對(duì)小分子的C-H鍵官能團(tuán)化
作者將生成氮中心自由基的反應(yīng)過(guò)程與聚合反應(yīng)的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)解耦，從而可能實(shí)現(xiàn)C-H鍵官能團(tuán)化轉(zhuǎn)化。發(fā)現(xiàn)鄰-烯基異羥肟酯（1）試劑能夠生成具有反應(yīng)活性的N中心自由基，這種自由基的鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)速率非常緩慢，無(wú)法與C-H鍵活化反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)。
1分子能夠在溫和加熱條件或者可見(jiàn)光光照條件進(jìn)行C-H鍵官能團(tuán)化，反應(yīng)過(guò)程無(wú)需外加其他自由基引發(fā)劑，而且反應(yīng)發(fā)現(xiàn)1分子能夠與多種不同結(jié)構(gòu)和組成的自由基捕獲劑配合進(jìn)行惰性C-H鍵官能團(tuán)化轉(zhuǎn)化。
相比于目前相關(guān)報(bào)道的方法，通常需要大過(guò)量（5倍量）或者溶劑量的烴類分子反應(yīng)物，而且目前其他方法中的兼容性更低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)包含小分子和廢塑料等反應(yīng)物都兼容。
小分子C-H鍵活化
圖3. 反應(yīng)兼容性（C-H鍵官能團(tuán)化反應(yīng)例子）
該反應(yīng)方法能夠?qū)⒅咀宓孜锓肿又械腃-H化學(xué)鍵轉(zhuǎn)化為其他官能團(tuán)，使用容易獲得同時(shí)穩(wěn)定性非常高的鄰-烯基異羥肟酯（1）引發(fā)反應(yīng)，在70 ℃加熱或可見(jiàn)光照射條件中進(jìn)行。
以環(huán)辛烷作為模型分子，通過(guò)這種反應(yīng)過(guò)程能夠分別將C-H鍵衍生化為C-F, C-Cl, C-Br, C-I, C-SCF3, C-SPh, C-N3, C-CN等，表現(xiàn)了良好或者優(yōu)異的產(chǎn)率。
作者考察了一些代表性的分子，金剛烷、雙環(huán)[2.2.1]庚烷、3-甲基戊烷、環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等，發(fā)現(xiàn)由于自由基分子含有大體積N-tBu酰胺，因此選擇在二級(jí)C-H鍵上進(jìn)行C-H鍵的官能團(tuán)化，而不是反應(yīng)活性更高的三級(jí)C-H鍵。
當(dāng)?shù)孜镏泻腥彪娮庸倌軋F(tuán)時(shí)，通過(guò)官能團(tuán)的極性，能夠區(qū)分不同亞甲基位點(diǎn)，因此選擇在遠(yuǎn)離缺電子官能團(tuán)位點(diǎn)進(jìn)行C-H鍵活化。
作者選取了幾種代表性天然產(chǎn)物分子和藥物衍生物分子，驗(yàn)證了該反應(yīng)具有非常重要的實(shí)際意義，比如對(duì)金剛烷底物、布洛芬甲酯、萜類、甾族化合物，并且在C-H鍵官能團(tuán)過(guò)程中表現(xiàn)選擇性。
聚合物C-H鍵轉(zhuǎn)化
圖4. 聚烯烴C-H鍵衍生化
目前人們通常使用的聚合物C-H鍵官能團(tuán)化轉(zhuǎn)化反應(yīng)過(guò)程，通常使用高能量自由基反應(yīng)，選擇性的對(duì)三級(jí)C-H鍵進(jìn)行轉(zhuǎn)化，反應(yīng)過(guò)程不可避免的發(fā)生β-切斷反應(yīng)，導(dǎo)致熱機(jī)械性能顯著衰減。本文發(fā)展的C-H鍵催化活化反應(yīng)方法，能夠選擇性的對(duì)亞甲基位點(diǎn)進(jìn)行官能團(tuán)化，因此能夠避免β-切斷反應(yīng)，而且通過(guò)官能團(tuán)化反應(yīng)過(guò)程能夠修飾極性官能團(tuán)，將非極性聚合物轉(zhuǎn)化為極性聚合物。這種性質(zhì)的極性聚合物無(wú)法通過(guò)Ziegler-Natta方法或者茂金屬催化生成，這種極性聚合物能夠具有更高的附著力，而且通過(guò)該反應(yīng)能夠在聚合物骨架結(jié)構(gòu)上安裝具有聚合物解聚合功能的位點(diǎn)。
在實(shí)驗(yàn)中，能夠在聚合物中安裝CN、F、Br、I、CF3S、PhS、N3、（苯基四唑）硫醇官能團(tuán)，得到其他合成反應(yīng)無(wú)法得到的結(jié)構(gòu)。
