C-H活化
有机合成中的CH键活化反应
有机合成中的CH键活化反应有机合成化学是指人工合成有机化合物的一系列化学反应，具有广泛的应用，常被用于制备有机分子、药物、材料等。
在有机合成中，CH键活化反应技术被广泛应用于构建C-C、C-N、C-O等键。
本文将围绕有机合成中的CH键活化反应展开讨论，介绍该技术在有机合成中的应用及其机理。
1. CH键活化反应的基础在传统的有机合成反应中，选择性地断裂C-H键是非常难的。
有机合成中的CH键活化反应旨在通过选择性的断裂C-H键，使反应发生在有机分子中与此键相邻的位置。
这种方法可以有效地提高化学反应的效率和反应选择性。
CH键活化反应分为两种主要类型：一种是氧化加成反应，另一种是还原消除反应。
这两种反应类型都基于共同的机理，即通过活化C-H键来促进反应的进行。
2. 氧化加成反应氧化加成反应（Oxidative Addition）是指过渡金属催化剂促进的一类CH键活化反应，其特点是有机分子中的C-H键被氧化成为C-X键，X代表一个氧化态的原子、离子或分子。
氧化加成反应的典型反例是一系列的钯催化反应，其中使用的反应体系不仅可以在非常温和的反应条件下实现CH键的活化，还可实现化合物的具有选择性的反应。
3. 还原消除反应还原消除反应（Reductive Elimination）是一种CH键活化反应，其特点是化合物中的两个配位基团之间的键被还原，同时生成C-H键。
这种反应是受过渡金属催化的，通常是与氧化加成反应相反的过程。
某些过渡金属催化剂可以在相对宽松的温度和压力条件下实现化合物的可控分子间间断的C-H键活化和重构。
4. CH键活化反应的应用CH键活化反应开辟了一种新的方法和途径，在合成和功能分子的制备和应用过程中具有巨大的价值。
例如，利用氧化加成反应的机理，可以在不需要昂贵或危险氧化剂的情况下，有选择性地对链烷烃进行功能化反应。
另外，CH键活化反应还可以用于合成生物活性化合物和制药合成中间体，用于制备手性分子和精细化工领域。
邻位 c-h键活化
邻位 c-h键活化邻位C-H键活化的概念邻位C-H键活化是指对碳氢化合物中与反应中心相邻的C-H键进行官能团化。
这种活化过程在有机合成中至关重要，因为它允许合成复杂分子和天然产物。
邻位C-H键活性化的重要性邻位C-H键活化是许多合成方法的关键步骤，其中包括：制备复杂含氮化合物构建复杂的环状结构天然产物的全合成通过活化邻位C-H键，化学家可以避免使用保护基团和选择性官能团化，从而简化合成过程并提高产率。
邻位C-H键活化的策略有几种策略可以用来活化邻位C-H键，包括：过渡金属催化：过渡金属配合物可以通过氧化加成和还原消除的催化循环来活化C-H键。
氢转移：通过转移氢原子，可以将C-H键转化为C-C键或C-N 键。
单电子氧化：使用氧化剂可以将C-H键转化为C-H自由基。
这可以触发后续反应，例如C-C键形成或官能团化。
酸催化：强酸可以质子供体化C-H键，使它们更容易被亲电试剂攻击。
影响邻位C-H键活性的因素邻位C-H键的活性受多种因素影响，包括：C-H键的强度：C-H键的强度随着取代基的增加而降低。
邻位效应：与C-H键相邻的基团（例如酮或酯）可以稳定过渡态，从而提高活性。
溶剂效应：极性溶剂可以溶剂化过渡金属催化剂或底物，影响活化过程的速率和产率。
催化剂类型：不同的过渡金属催化剂对不同的底物具有不同的选择性和活性。
邻位C-H键活化的选择性选择性活化邻位C-H键是合成化学中的一项重大挑战。
影响选择性的因素包括：底物的立体效应：空间阻碍和立体效应可以影响反应的立体选择性。
催化剂的配体：配体的电子性质和空间排布可以调控催化剂的活性和选择性。
反应条件：温度、溶剂和添加剂等反应条件可以优化选择性。
邻位C-H键活化在合成中的应用邻位C-H键活化在有机合成中有着广泛的应用，其中包括：芳香化合物的官能团化：邻位C-H键活化可用于在芳香环上引入各种官能团，例如羟基、氨基和卤素。
杂环化合物的合成：邻位C-H键活化可用于构建各种杂环化合物，例如吡啶、呋喃和噻吩。
药物合成中的CH键活化研究
药物合成中的CH键活化研究1. 引言CH键活化是有机合成领域中的一个重要研究方向。
传统的有机合成方法中，CH键通常是非活化的，需要通过复杂的转化步骤才能实现功能基团的引入。
而CH键活化研究的发展，为有机合成提供了一种高效、环境友好的策略。
本文将重点介绍药物合成中的CH键活化研究进展，探讨其在药物合成中的应用潜力以及面临的挑战。
2. CH键活化的重要性CH键是有机分子中最常见的键之一，其活化将使得有机合成更加高效、简洁。
CH键活化不仅可以通过在有机分子上直接引入功能基团，还可以实现碳氢键与其他键之间的选择性转化，有机分子的转化新途径使得合成药物的路径更加灵活。
因此，CH键活化研究具有重要的理论和应用价值。
3. CH键活化的反应类型目前，CH键活化研究已涉及多种反应类型。
其中包括碳—碳键活化、碳—氮键活化、碳—氧键活化等。
这些反应不仅可以实现原子经济性高的合成路线，还可以提高反应的选择性和速度，降低副反应的发生。
这些特点使得CH键活化成为一种非常有吸引力的反应。
4. 药物合成中的CH键活化研究案例4.1 药物合成中的碳—碳键活化碳—碳键活化是CH键活化研究的重要领域之一。
通过碳—碳键活化，可以在有机分子中引入新的碳—碳键，从而实现对药物结构的调整和优化。
例如，某些含有两个芳香环的药物分子，可以通过碳—碳键活化，在两个芳香环之间引入新的碳—碳键，增加药物分子的稳定性和活性。
其次，碳—碳键活化还可以在有机分子中引入稳定性较好的碳杂环结构，扩展药物分子的结构空间。
4.2 药物合成中的碳—氮键活化碳—氮键活化是另一个重要的研究方向。
通过碳—氮键活化，可以在有机分子中引入氮原子，从而实现对药物功能基团的引入和调整。
例如，一些药物中常见的酰胺结构，可以通过碳—氮键活化，在有机分子中引入酰胺基团。
这种方法不仅能提高药物的生物利用度和稳定性，还能增加药物分子与靶标的作用力。
4.3 药物合成中的碳—氧键活化碳—氧键活化是具有广泛应用前景的反应类型。
烷烃C-H 键的活化
烷烃C-H 键的活化实现有机化合物之间高效，高选择性，且条件温和的转化是绿色化学的重要内容。
其中直接催化活化C-H键是人们广泛关注的研究领域。
石油、天然气以及煤中的主要成分是含有惰性C-H键的烷烃类化合物，这些宝贵的化石资源的利用至今仍主要局限于将其燃烧提供能源。
在可以预见的将来，化石资源将逐渐枯竭，能源的问题预计可以通过核能、风力、水力、太阳能等多钟渠道解决。
但是，现代化学工业赖以存在的基本化学原料将会随着化石资源的枯竭变成一个十分严峻的问题。
另一方面，目前化学工业的污染已成为严重的社会问题。
现有为数不多已实现工业化的通过惰性烷烃C-H键的活化生产醇、烯、炔、羧酸等的过程绝大多数需要高温、高压以及强酸性的条件，且很多转化需要多步的过程，效率不高并且常常存在选择性问题（表一）。
例如，从甲烷制备乙炔需要1000度以上的高温。
芳香化合物的衍生化在化学工业上也占有十分重要的地位，但是目前从苯、甲苯等基本原料生产芳香衍生物的方法大部分基于傅瑞德－克莱弗兹反应，这类反应通常需要强酸催化，产生大量污染。
因此，在环境有好的反应条件下实现C-H键活化对于资源能源的有效利用，环境的保护具有十分重要的意义。
表一、已工业化的烷烃的C-H转化［1a］原料反应条件／试剂产物C1温度>1000 o C 乙炔C1和高级烷烃H2O, O2合成气C1O2／NH3氢氰酸C2＋温度=750-900 o C, 催化剂烯烃、二烯烃、芳香烃等C4催化剂／O2马来酸C1Cl2氯代烃i-C4O2叔丁基氢过氧化物烷烃H2O(H3BO3) 二级醇烷烃O2醇、酮、羧酸直链烷烃Cl2,SO2烷基磺酰氯直链烷烃O2,SO2烷基磺酸环己烷NOCl 环己醇、环己酮、己内酰胺石蜡HNO3硝基化合物C1S 二硫化碳直链烷烃O2, 微生物蛋白质另一方面，从基础科学研究的角度来说，惰性C-H键的选择性活化也是化学领域中最基本和最具有挑战性的问题之一。
C-H键和C-C键是有机化合物的最基本化学键。
C-H活化反应
C-H活化反应C-H键活化一度被称为有机化学中的“圣杯”。
C-H键是一种非常常见的化学键C-H键的键能非常高，碳元素与氢元素的电负性又很接近，因而C-H键的极性很小，这些因素使得其具很强的惰性。
在温和条件下将C-H键将其断键是有机合成中最具挑战性的一类反应，但最近几十年过渡金属催化的C-H活化反应已成为有机合成化学强有力的工具。
下面对本号前期发布的涉及C-H活化的反应及文章进行回顾，方便小伙伴们学习交流，点击标题查看详细内容。
一、余金权C−H活化反应余金权及其课题组1,7发现一些位置选择性或立体选择性的C-H活化反应，此类反应的特点是利用钯催化并加入氧化剂，通常底物含有导向基团，另外加入一些优化的配体会增强选择性和加快反应速率。
二、Sanford反应在钯催化下通过导向基团（如吡啶和嘧啶）进行C-H位乙酰氧基化的反应。
三、White催化剂White催化剂是一种多用途的商业化催化剂。
在其催化下可以高效地氧化相对惰性的C-H键形成新的C-O, C-N和C-C键。
各种烯烃都可以进行分子内或分子间的C-H氧化，并具有很高的化学，区域和立体选择性。
四、Catellani反应【Catellani, M.; Frignani, F.; Rangoni, A. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36,119–122.】在降冰片烯(Norbornene)与Pd共同催化作用下，芳基碘化物先和降冰片烯进行Heck反应，接着邻位C-H活化进行烷基化或芳基化的反应，最后再和端基烯烃偶联得到邻位取代的烯基芳烃的反应。
此反应是三组分偶联反应。
邻位单取代的芳基碘化物作为底物则可以得到不同邻位取代基的烯基芳烃。
五、Baran试剂Baran试剂，二烷基亚磺酸锌盐，可以直接对杂环芳烃C-H键进行官能团化。
现在很多Baran试剂都可以买到。
六、常见的铑催化反应Horacio F. Olivo课题组报道了在Rh2(tpa)4或Rh2(esp)2催化下α-重氮-β酮酯进行分子内的苯环C-H活化反应关环，取得很高的产率（45-98%）。
C-H键活化,chemical review概论
化学计量的 芳烃 复合物 关于，就…而言 二聚的 光学活性 邻位 斜率 熵 乙酸盐 结晶的 前体 抓氢键 相互作用 酸度 温和的，灵巧的 因此，今后 化学纯 非常，及其
mild
温和
ambient
周围环境
pyrrole
吡咯
proceed
开始，继续进行
readily
容易地
favorable 有利的
analogous 类似的
3.1. Key Observations with Stoichiometric Amounts of Carboxylates 3.1.1. Aryl Halides as Arylating Reagents 3.1.2. Dehydrogenative Arylations
3.2. Catalytic Amounts of Carboxylates 3.2.1. Palladium 3.2.2. Ruthenium
isoproypyl
异丙基
bidentate
双齿的
piralic
特戊酸
biaryl
联芳
potassium
钾
revisit
再论
azole
唑
elusive
难懂的
robustness
稳健性
triazole
三唑
ortho-
邻位的
meta-
间位的
para-
对位的
CONTENTS
1. Introduction 2. Stoichiometric C-H Bond Metalation
2.1. Intermolecular Metalation 2.2. Stoichiometric Cyclometalations 2.3. Related Assisted Metalations with Monodentate Bases
钯催化ch键活化 四种催化循环
钯催化ch键活化四种催化循环
钯催化CH键活化，是一种由钯催化实现的，可以帮助分子从低能量状态转变
到高能量状态的化学反应。
它的应用范围非常广泛，可以在合成有机化合物、生物活性分子等方面发挥重要作用。
由于钯催化CH键活化的发展，物理化学实验中的
应用越来越广泛。
钯催化CH键活化包括四种不同的催化循环：一是直接对CH键进行诱导活化
的催化循环；第二种是通过氨基R组装的CH键活化催化循环；第三种是反应碳氢
键活化催化循环；最后一种是由多元素体系实现CH键活化催化循环。
以上四种几
乎都是把氧化还原反应从普通状态提升到比较高能量状态，实现CH键活化。
以直接对CH键进行诱导活化的催化循环为例，它具体的反应机制是：钯催化
剂将直接作用于活性位点上的CH键，使CH键由其原有的平衡状态发生变化，产生出较高能量状态的中间体，从而促进反应的发生。
另外，氨基R组装的CH键活化
催化循环是在CH键上引入官能团的一种方法，通过引入R组装，使CH键发生变化，达到催化反应的目的。
碳氢键活化催化循环也可以简单地理解为，通过催化剂和反应物之间的作用，
使反应物在其他反应物的作用下，发生不同的反应，实现CH键活化。
最后一种是
由多元素体系实现CH键活化催化循环，它可以由有机化学反应体系实现CH键活化，具体的操作步骤也比较简单，也很常用。
总之，钯催化CH键活化是一种新型的反应机制，可以帮助从低能量状态转变
到高能量状态，从而促进反应发生，具有十分广泛的实际应用价值。
而当前，钯催化CH键活化催化循环已经被用于合成有机化合物、生物活性分子等领域，在物理
化学实验中也得到了广泛的应用。
C-H活化
❖ 铑催化剂
价格非常昂贵
RhCl(PPh3)3
RhCl(cod)2]2
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❖2. 氧化剂
氧化剂主要作用是将低价态金属催化剂氧化为高价态， 使催化循环顺利进行 常用的氧化剂： Ag盐：Ag2CO3, AgF, AgOAc, AgOTf, Ag2O, AgBF4
Cu盐：Cu(OAc)2, Cu(OTf)2, CuCl2
BQ(对苯醌), K2S2O8, TBHP(过氧化叔丁醇)
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❖3. 配体
主要作用：与金属配位，稳定中间体。
膦配体：PPh3, PCy3, P(t-Bu)3, BINAP, dppm, X-Phos
NH2
传统过程
NHAc
HO3S
H
磺化
直接芳基化
NHAc N2
卤化
NHAc X
偶联
NHAc H
Pd(Ⅱ), Oxidant ArB(OH)2 or ArSi(OMe)3
NHAc Ar
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❖ C-H键活化反应的基本类型
1
R1-H + R2-X
Cat. base
❖ 其他化学键的键能
化学键 C—Cl
键能（ 328
kJ/mol）
C—Br 276
C—N 305
C—O 326
化学键 C—P
键能（ 305
kJ/mol）
C—S 272
C—Si 347
C—B 393
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2. 通过C-H键活化实现交叉偶联
选择C-H键的理由及可行性分析
C-H活化反应的基本类型
C-H活化反应反应体系介绍 C-H活化反应反应机理剖析 应用举例
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选择C-H键的理由及 可行性分析
由于传统的交叉偶联反应在原子经济性，环境友 好方面具有一些不足之处，因此，很多人一直在 寻求一些更合适更简单的底物。 要形成碳碳键，最简单的途径，就是从C-H键出 发，但为什么在很长的一段时间内，这样的想法 一直没有实现呢？
NHAc Ar
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C-H键活化反应的基本类型
1
R1-H + R2-X
Cat. base
R1-R2
2
R1-H + R2-H
Cat. oxidant
R1-R2
3
R1-H + R2-M
Cat. oxidant
R1-R2
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雷爱文 武汉大学
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陆熙炎 院士
麻生明 院士 雷爱文 施章杰
1. 有个好导师，走遍天 下都不怕 2. 施章杰应称呼雷爱文 为“师兄”
院士？？？
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搞科研很累，很枯燥，怎样才能使科研生活不乏 味呢？ 让我们看一下中国人和外国人都是怎么做的？
2. 氧化剂
氧化剂主要作用是将低价态金属催化剂氧化为高价态， 使催化循环顺利进行 常用的氧化剂： Ag盐：Ag2CO3, AgF, AgOAc, AgOTf, Ag2O, AgBF4 Cu盐：Cu(OAc)2, Cu(OTf)2, CuCl2
BQ(对苯醌), K2S2O8, TBHP(过氧化叔丁醇)
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1995年7月于安徽淮北煤炭师范学院获学士学位， 2000年7月于中国科学院上海有机化学研究所获理学 博士学位，导师，陆熙炎院士。 2000年9月至2003 年8月，美国宾夕法尼亚州州立大学（Pennsylvania State University） 博士后。 2003年8月至2005年3 月美国斯坦福大学（Stanford University）研究助理 （Research Associate）。2005年3月回国到武汉大 学化学与分子科学学院。
例如合成抗癌药物紫杉醇和抗炎症药物萘普生，以及 有机分子中一个体格特别巨大的成员——水螅毒素。 科学家还尝试用这些方法改造一种抗生素——万古霉 素的分子，用来灭有超强抗药性的细菌。此外，利用 这些方法合成的一些有机材料能够发光，可用于制造 只有几毫米厚、像塑料薄膜一样的显示器。科学界一 些人士表示，依托“钯催化交叉偶联反应”，一大批 新药和工业新材料应运而生
作用：有助于形成稳定的金属环状中间体并有利于碳氢键断裂 时氢质子 的离去。
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C-H活化反应的一般机理及实例 1.过渡金属催化C-H键与有机卤化物( 或拟卤化 物) 的偶联。 通式：
R1-H + R2-X
Cat. base
R1-R2
芳基卤化物对Pd(0) 的氧化加成往往是Mizoroki-Heck 反应、 交叉偶联反应及Buchwald-Hartwig 胺化等反应的启动步骤， 同样可以引入到C-H键官能团化过程中来。
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缺点及不足
有机卤化物及拟 卤化物在自然界 中并非广泛存在， 制备成本相对价 昂贵。
此类反应由于两 个反应物一般是 有机卤化物和有 机金属化合物， 产生的副产物较 多，不利于环境 友好。
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③
①
②
C-H键与有机卤化物( 或拟卤化物) 的偶 联机理
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实例：
sp2 C-H键与有机卤化物( 或拟卤化物) 的偶联
Akita Y,Ohta A. Heterocycles, 1982,19:329-331
C.-H. Park, V. Ryabova, I. V. Seregin, A.W. Sromek, V. Gevorgyan, Org. Lett. 2004, 6, 1159
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主要内容
1
2 3
经典的交叉偶联反应
通过C-H键活化实现交叉偶联
官能团导向的C-H键活化反应
4
通过C-H活化实现的碳杂偶联
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H
H H H H
Hydrocarbon ---Abundant
H
C H
C-H Activation
Energy Source
Energy Issue
Transition-Metal Catalysis
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过渡金属催化的 C-H 键活化反应
尹张伟
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当今碳氢活化领域的大牛
施章杰博士的研究兴趣主要 集中于有机化学和化学的生 物学的前沿交叉区域。我们 课题组旨在发展一种基础的 方法学和反应过程来活化相 对稳定的C-X键并构造新的CX键。我们的目标也在于一些 小的分子,例如CH4 ，O2 ，N2 以及CO2 等的活化上。此外， 我们的研究将会试着设计一 些新的生物技术来揭示酶和 DNA之间的交互作用。
C-H键活化反应的反应体系
催化剂 氧化剂 配体
碱
反应体系
溶剂 其他添加剂
C-H Activation
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1. 催化剂
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钯催化剂： Pd(OAc)2 PdCl2(MeCN)2 PdCl2 Pd(PPh3)4
1. 经典的交叉偶联反应
2010年10月6 日，瑞典皇家科 学院宣布，美国 科学家理查德· 赫克和日本科学 家根岸荣一及铃 木章共同获得今 年的诺贝尔化学 奖。 这三名科学家因在有机合成领域中钯催化交叉偶 联反应方面的卓越研究获奖。这一成果广泛应用 于制药、电子工业和先进材料等领域，可以使人 类造出复杂的有机分子。
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Pd 催化新戊酸 促进芳烃的芳基 化反应机理
M. Lafrance, K. Fagnou, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128,16496
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6. 其他添加剂
1. 季铵盐类（四丁基溴化铵），冠醚（18-冠-6）
作用（1）使用两种不混溶的溶剂时，作为相转移催化剂。 （2）作为某些碱的碱度调节剂。如使用钾盐作碱时， 加入上述两种物质，可结合钾离子，改变钾盐的解离度。
2.
有机羧酸，如 PivOH（新戊酸）, TFA, HOAc ，PTSA（对甲 苯磺酸）等。
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机理：
①由芳基卤化物对Pd(0) 氧化加成得 到芳基钯(Ⅱ) 物种 ②，由其作为亲电试剂， 进攻富电子的C-H键发生 亲电取代反应，在碱的作 用下脱去质子 ③，最后经还原消除得到 最终产物并 再生Pd (0 ) 催 化剂，完成催化循环
原因：C-H键的键能大， 不易被活化。
几种物质C-H键的键能
物质
甲烷
乙烯
乙炔
苯
键能（
kJ/mol）
439.3
415.3
564.4
469.9
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其他化学键的键能
化学键
键能（
kJ/mol）
C—Cl
328
C—Br
276
C—N
305
C—O
326
化学键 键能（
kJ/mol）
C—P 305
C—S 272
C—Si 347
C—B 393
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NHAc NO2
还原
ห้องสมุดไป่ตู้
NHAc 重氮化 NH2
NHAc N2
硝化 去磺化
NHAc HO3S H
传统过程
卤化
NHAc
直接芳基化
X
磺化
偶联
NHAc H
Pd(Ⅱ), Oxidant ArB(OH)2 or ArSi(OMe)3
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诺贝尔化学奖委员会主席拉尔斯· 哲兰德说：“有 人告诉我说，目前25%的合成药品都由这三种 反应中的一种制成，因此，他们的发明对制药工 业具有举足轻重的影响。钯具有非常神奇的属性 ，它可以让两个不同的碳原子连接在一起，使得 它们更靠近并且在非常温和的环境下就能发生反 应。”
5. 溶剂
常用溶剂及其沸点/℃ 甲苯 二氧六环 DMF DMAC DCE MeCN
110.6
t-BuOH 82.5