“鐵鹽+空氣”催化氧化體系在綠色交叉偶聯(lián)反應中的應用
——推薦一個本科生科研訓練項目

李若璞，徐一澤，胡仁銘，賴易歡，徐大振

南開大學化學學院，天津 300071

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，簡稱“國創(chuàng)計劃”，包括創(chuàng)新訓練項目、創(chuàng)業(yè)訓練項目和創(chuàng)業(yè)實踐項目三類。根據(jù)《教育部、財政部關于“十二五”期間實施“高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程”的意見》(教高〔2011〕6號)和《教育部關于批準實施“十二五”期間“高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程”2012年建設項目的通知》(教高函〔2012〕2號)，教育部決定在“十二五”期間實施國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃。作為國家基礎科學研究和教學人才培養(yǎng)基地，南開大學化學學院通過實施國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，促進轉(zhuǎn)變教育思想觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓練，增強本科生的創(chuàng)新能力和在創(chuàng)新基礎上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設需要的高水平創(chuàng)新人才。通過引導本科生參與創(chuàng)新科研，不僅能讓我們了解學科前沿的發(fā)展狀況和當前研究熱點，還能提高我們學習專業(yè)知識的興趣，做到理論與實際緊密結合，積累豐富的創(chuàng)新實踐經(jīng)驗，為未來進一步深造、服務社會和國家打下基礎。

本文介紹的“鐵鹽+空氣”催化氧化體系在綠色交叉偶聯(lián)反應中的應用研究就是由我們本科生團隊參與“國創(chuàng)”項目做出的科研成果。通過采用科研反哺教學、理論與實驗相結合的方法，開展綜合的創(chuàng)新實驗，不僅能加強對我們創(chuàng)新能力和實踐操作能力的培養(yǎng)和訓練，還能提高我們的科研素養(yǎng)，助力“拔尖計劃”2.0在南開大學化學學院本科生中的進一步實施[1]。

1 研究背景

化學鍵的構建是化學反應的基礎，過渡金屬催化交叉偶聯(lián)反應是公認最有效構建化學鍵的方法之一，也一直是有機化學家研究的熱門領域[2]。傳統(tǒng)的交叉偶聯(lián)反應在構建新化學鍵的時候通常需要對底物預官能化來提高反應活性和選擇性，同時需要貴金屬催化劑和配體共同作用，導致其實際應用成本較高[3]，并且反應結束后會產(chǎn)生等當量的副產(chǎn)品，增加環(huán)保壓力，這使得它們只能用于高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)中，限制它們在工業(yè)化生產(chǎn)中的使用范圍。而不使用這些貴金屬催化劑，交叉偶聯(lián)反應則會出現(xiàn)反應選擇性差、產(chǎn)率低等各種問題[4]。

針對以上情況，化學家們在2004年提出了交叉脫氫偶聯(lián)(CDC)的概念，為C―C鍵和C―X雜原子鍵的構建提供了一種全新綠色的途徑[5]。在CDC反應體系所涉及種類繁多的氧化劑中，無毒、無害且廉價的空氣是公認最理想的氧化劑，因為在空氣氧化的條件下，水是反應唯一的副產(chǎn)物。另一方面，鐵是地殼中豐度最大的金屬之一，鐵鹽的低毒性使其可用于制藥和食品工業(yè)。因此，在眾多過渡金屬中，鐵鹽被視為化學轉(zhuǎn)化過程中理想的催化劑。

在了解以上大背景后，我們?nèi)恢就篮系谋究粕M建了課外創(chuàng)新團隊，在“國創(chuàng)”項目的支持下開展了對“鐵鹽+空氣”催化氧化體系的探索，實現(xiàn)了C(sp3)―H與不同X―H間的綠色偶聯(lián)過程，為C(sp3)―X(C―C、C―O和C―N)鍵的構建提供了新方法。

2 實驗思路

在團隊組建后，我們是按照以下思路進行創(chuàng)新工作的。

首先，確定研究對象是酰胺，因為它們在自然界和合成化合物中廣泛存在。尤其是3位雙取代的吲哚-2-酮，是天然產(chǎn)物、農(nóng)用化學品以及生物醫(yī)藥分子中的核心結構，例如：3位雙氨化的吲哚-2-酮已經(jīng)作為重要藥物用于治療乳腺癌、瘧疾等[6]。

另外，在有機化學課上我們學習到酰胺可與金屬配位活化其α–H，通過后續(xù)的進一步查閱文獻發(fā)現(xiàn)活化的酰胺可脫去其α–H，并在一定條件下產(chǎn)生自由基，進而與其他化合物發(fā)生自由基反應。

基于以上調(diào)研，我們決定采用鐵鹽作為催化劑、空氣作為氧化劑，嘗試在綠色環(huán)保的條件下實現(xiàn)對酰胺的一系列修飾、轉(zhuǎn)化過程。吲哚-2-酮是廉價、易得的化合物，所以我們選擇它作為酰胺類底物，設計相關轉(zhuǎn)化反應，合成具有實用價值的酰胺類化合物。我們主要通過以下四個步驟進行創(chuàng)新課題的研究。

(1) 條件實驗：首先，選取模板底物，進行條件實驗。以空氣作為氧化劑，篩選出產(chǎn)率最高、反應速率相對較快的反應條件，可以減少后續(xù)實驗試劑的浪費，提高后續(xù)實驗效率。

(2) 底物拓展：為了探索實驗的普遍性，在篩選出最理想的實驗條件后，我們在該條件下開展底物拓展，研究該方法的適用范圍和條件。

(3) 機理研究：開展一系列對照實驗，深入研究反應機理，弄清反應過程。

(4) 技術的轉(zhuǎn)化與實際應用：在課題的實驗室研究基本完成后，我們會開展克級放大實驗，完成多個商品化藥物的小試實驗，讓我們的課題真正做到理論與實踐相結合。

在正確的理論指導下，通過“國創(chuàng)”團隊全體成員的共同努力，我們最終開發(fā)了以下兩類鐵鹽催化、空氣氧化的反應(圖1)，即不同C(sp3)―H間直接偶聯(lián)合成3位雙取代的吲哚-2-酮衍生物(反應a)和C(sp3)―H的直接雙氨化合成3位雙氮取代的吲哚-2-酮衍生物(反應b)。

3 “Fe(OAc)2-空氣”催化氧化不同C(sp3)―H間的直接偶聯(lián)和羥基化反應

3位雙取代的吲哚-2-酮是一種在天然產(chǎn)物、農(nóng)用化學品以及生物醫(yī)藥分子中廣泛存在的單元結構，這種結構具有多種生物活性，如抗炎癥、抗過敏、抗病毒等等[6]。此外，有文獻報道稀有金屬催化能實現(xiàn)兩個C(sp3)―H直接構建C(sp3)―C(sp3)鍵[7]。這里，我們團隊研究開發(fā)了一種用廉價鐵鹽就能實現(xiàn)對C(sp3)―H的高效修飾方法，并且可同時構建C(sp3)―C(sp3)和C(sp3)―O鍵，一步實現(xiàn)吲哚-2-酮的烷基化和羥基化(圖2)。

圖2 過渡金屬催化氧化C(sp3)―H/C(sp3)―H交叉脫氫偶聯(lián)

3.1 條件實驗

首先，我們選擇了吲哚-2-酮(1a)和喹哪啶(2a)為模板底物，選擇空氣作為氧化劑，廣泛地開展條件篩選實驗(表1)。從以下條件實驗中可以看出：Fe(OAc)2是該反應的最佳催化劑(行9)，即使將其用量降低至0.5 mol% (摩爾百分比)，該反應也能夠正常進行。實際上，在得到最優(yōu)反應條件(行9)前，我們團隊進行了數(shù)不勝數(shù)的實驗。實驗過程中，經(jīng)常遇到所選擇的催化劑催化效率差、反應幾乎無法進行等問題，此時團隊成員通過繼續(xù)查閱文獻，從化學家們已發(fā)表的成果中尋找可能以較高效率催化此類反應的鐵鹽催化劑和反應條件。除此之外，我們還發(fā)現(xiàn)不同催化劑在不同溶劑中的催化效率也有所差別。通過大量的對比實驗，最終篩選出了最佳反應條件。這里只列舉我們條件優(yōu)化實驗的很小一部分。

表1 條件優(yōu)化實驗a

3.2 底物拓展

隨后我們對底物進行了拓展實驗。國創(chuàng)項目的進行時間有限，團隊成員在大二學年的專業(yè)課學習也十分緊張，只能利用周末和假期進行實驗。在實驗過程中，我們經(jīng)歷了許多失敗，有很多設想的底物由于取代基位阻等問題導致無法反應或很難分離。在項目進行到中期時，我們剛剛完成了對反應的初步優(yōu)化實驗，這使我們非常的焦慮和緊張，害怕無法結項。在我們遇到瓶頸無法突破時，導師主動找我們談話，幫我們梳理實驗思路和方法。在導師的幫助下，團隊成員相互鼓勵，繼續(xù)砥礪前行探索實驗方法的改進，即使假期也依然留校進行實驗，最終在暑假的一個月內(nèi)實現(xiàn)了對該課題的突破，完成了底物拓展。

從實驗數(shù)據(jù)上可以看出，當?shù)孜镞胚?2-酮上帶有不同取代基時，均能順利發(fā)生反應，以較高產(chǎn)率得到對應產(chǎn)物。另外，各種烷基取代含氮芳環(huán)也有較好的適應性(圖3)。通過底物拓展實驗，我們發(fā)現(xiàn)雜環(huán)上的氮原子主要起到了穩(wěn)定反應中間體的作用。

圖3 氧化C(sp3)―H/C(sp3)―H交叉偶聯(lián)反應合成3-羥基吲哚-2-酮

3.3 機理研究

在開展一系列機理實驗的基礎上，我們證明了該反應是一個涉及自由基歷程的轉(zhuǎn)化過程，并且通過18O標記實驗證明了產(chǎn)物羥基中的氧來自于氧氣?；谏鲜鰧嶒灲Y果，我們結合相關文獻，多次與導師溝通、討論，最終給出如下該反應可能的反應機理(圖4)。

圖4 反應的可能機理

4 “FeCl3-空氣”催化氧化C(sp3)―H的直接氨化反應

在成功實現(xiàn)對吲哚-2-酮3位的烷基化和羥基化后，我們又對下一個目標發(fā)起了挑戰(zhàn)：吲哚-2-酮3位的雙氨化。因為含氮分子在有機化合物中廣泛存在，所以C―N的構建在合成化學中一直是研究的焦點。然而，目前科學家只實現(xiàn)了通過去氫化的方式直接構建單C―N鍵，還沒有實現(xiàn)用伯胺直接構建雙C(sp3)―N鍵的方法。針對此情況，我們展開了相關研究，并攻克了對亞甲基的雙C―H鍵功能化，實現(xiàn)同時構建兩個C(sp3)―N鍵的方法(圖5)。

圖5 通過氧化C(sp3)―H/N―H交叉偶聯(lián)實現(xiàn)C(sp3)―H胺化

4.1 條件實驗

我們在80 °C下，以空氣作為氧化劑，吲哚-2-酮(1a)和鄰氨基苯甲酰胺(4)作為模板底物來進行條件優(yōu)化實驗(表2)。和上一個反應類似，對于這個反應，我們也進行了催化劑、溶劑和反應溫度等大量條件實驗，最終篩選出令人較為滿意的反應條件，表2中只列舉部分代表性實驗數(shù)據(jù)。結果表明，使用FeCl3作為催化劑，并且加入對甲苯磺酸(p-TSA)時，產(chǎn)物5的產(chǎn)率可高達83%。

表2 條件優(yōu)化實驗a

4.2 底物拓展

在進行一系列條件實驗，得到了最優(yōu)反應條件后(表2，行4)，我們更換各類取代吲哚-2-酮作為底物進行底物拓展實驗，以探究該反應的適用范圍。有了上一個反應底物拓展實驗的經(jīng)歷，在進行這個反應的底物拓展時，我們無論是從方法上還是心態(tài)上都成熟了許多，遇見困難和失敗也有了更好的解決途徑。最終我們在較短的時間內(nèi)高效地合成了20多種化合物，完成了該反應的底物拓展實驗。

結果表明，該方法在底物適用性上表現(xiàn)非常出色，尤其是氨基-酰胺類底物的反應范圍相當廣泛，如：鄰氨基苯甲酰胺、鄰苯二胺、環(huán)己二胺等均能與吲哚-2-酮直接反應生成對應的螺環(huán)化合物(圖6a)。同時，我們發(fā)現(xiàn)該方法還可用于合成六元氮雜螺環(huán)抗乳腺癌藥物12[8]。由于以上C(sp3)―N/C(sp3)―N鍵的成功構建，我們又將反應類型拓展到了C(sp3)―N/C(sp3)―S、C(sp3)―N/C(sp3)―C(sp2)鍵的構建，分別合成了螺環(huán)噻唑類化合物14和目前臨床上最先進抗瘧藥物KAE609的核心骨架結構化合物16[9](圖6b，c)。

同樣，我們也研究了這個雙氨化反應的機理。結果表明，它與第一個反應的機理過程類似：都經(jīng)歷了鐵鹽活化酰胺，同時氧氣參與反應產(chǎn)生自由基中間體這樣的一個反應過程。

5 技術的轉(zhuǎn)化與應用

首先，我們發(fā)展的以“鐵鹽+空氣”催化氧化體系為核心的一系列化學轉(zhuǎn)化過程并不局限于實驗室的少量合成，進行克級化放大后產(chǎn)率依舊十分可觀，說明它們有放大生產(chǎn)實現(xiàn)向工業(yè)轉(zhuǎn)化的潛力。

其次，該催化氧化方法具有廣闊的應用前景，能夠用到各種藥物等實用化學品的合成中，比如我們已經(jīng)將其用于抗乳腺癌藥物12和抗瘧疾藥物KAE609核心骨架16的合成中(圖6)。

圖6 用于合成N-雜螺環(huán)化合物的氧化交叉偶聯(lián)反應

此外，我們使用的催化體系是低毒甚至可以說是無毒的，不論鐵鹽還是空氣，都與生物體有非常好的兼容性，不會因為催化劑的微量殘留而危害人類健康或者是對生態(tài)體系造成嚴重污染。

綜上，我們發(fā)展的以“鐵鹽+空氣”催化氧化體系為核心的反應體系具有較高的實際應用價值，不但發(fā)展了新的技術路線，還可有效解決由于氧化反應中氧化劑被還原后產(chǎn)生幾倍量副產(chǎn)品和高濃度廢水的環(huán)保問題，使化工生產(chǎn)更符合“綠色化學”的理念，具有重要的現(xiàn)實意義。

6 項目實施方法和建議

經(jīng)過多年實踐，南開大學化學學院本科生參與國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃已取得了良好的培養(yǎng)效果。然而“國創(chuàng)”項目實踐周期為兩年，歷時較長，實驗內(nèi)容較多且較復雜，如果沒有明確的方案和計劃，很難按照預期達成實驗目的。通過團隊參與“國創(chuàng)”項目的經(jīng)歷，我們總結出了幾點方法和建議，可供大家參考：

(1) 導師及課題的選擇：本科生可根據(jù)自己的興趣確定研究方向，選擇該領域合適的導師。我們的指導教師徐大振老師，他不屬于教師系列，是一名高級工程師。但是他之前指導的兩個“國創(chuàng)”項目全部入選了教育部的“雙創(chuàng)”年會，并且結題時連續(xù)獲得了南開大學優(yōu)秀項目中唯一的特等獎。因此，建議大家一定選擇熱愛教學、又有充足精力直接指導本科生進行科研訓練的老師作為指導教師。在確定導師后，我們通過閱讀文獻、查閱資料，了解該方向當前的研究進展和熱點問題，在導師的指導下確定立項課題，撰寫項目計劃書。

(2) 項目計劃及安排：在開展“國創(chuàng)”項目時，我們要樹立遠大的科研理想，制定科研的長期目標，這樣能使我們更有動力；同時我們也要腳踏實地，將長期目標拆解成許多短期目標，將其逐個解決，這樣能更準確有效地完成科研任務。

(3) 實驗技能培訓：實驗安全是科研訓練中十分重要的問題。在開展實驗前，我們需要充分做好實驗前的準備工作，如通過查閱文獻，了解每一步反應的反應條件、操作方法和反應注意事項，并嚴格遵守進行反應。對于沒有使用過的試劑，需要明確其使用注意事項，危險試劑應在導師的指導下使用；對于沒有使用過的儀器，我們需要經(jīng)過系統(tǒng)培訓，熟悉儀器的測試原理，掌握儀器的操作要求后方可獨立使用。

(4) 譜圖分析與數(shù)據(jù)處理：團隊成員應在導師指導下，根據(jù)有機化學和儀器分析等專業(yè)課所學知識，獨立完成核磁共振譜圖、紅外光譜和高分辨質(zhì)譜的譜圖處理與分析，推測化合物結構。

(5) 論文撰寫：在開展實驗時，我們需要詳細做好每次實驗的記錄與數(shù)據(jù)處理，同時對實驗結果進行分析與討論。對于成功的實驗，我們要總結經(jīng)驗，并將正確的經(jīng)驗方法用于后續(xù)實驗中；對于失敗的實驗，也需要進行原因分析與誤差分析。在課題全部完成后，可以在導師指導下進行數(shù)據(jù)總結與實驗總結，完成結項論文的撰寫。

7 實驗遇到的困難與收獲

我們的團隊成員都是剛剛踏入實驗室進行科研的本科生，所以在進行實驗的過程中往往會遇到許多困難與挫折。如，在進行條件篩選時，我們嘗試了十幾種催化劑或改變其他反應條件都無法得到理想的產(chǎn)率；在進行底物拓展時，有些底物參與反應時并不能像我們想象的那樣得到目標產(chǎn)物；在進行產(chǎn)物的分離純化時，往往會遇見與目標產(chǎn)物難以分離的物質(zhì)，導致分離得到的產(chǎn)物不純；在進行機理實驗時，實際實驗的結果可能與最初預測的機理不同，導致需要重新進行機理的預測與實驗驗證……

在實驗遇到上述問題時，我們可以與團隊其他成員相互交流思路，探尋解決方案。在遇到瓶頸時，向?qū)煂で髱椭?，由導師給出大致的思考方向，從而繼續(xù)進行探索與研究。同時，文獻閱讀也是非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過閱讀大量的相關領域文獻，可以讓我們了解其他科學家研究問題的思路，從文獻中找尋可能的反應條件，同時在面對問題時能想到更多的解決方法，在探索科研方向的時候也能有更多發(fā)散創(chuàng)新的思維。當實驗遇到“負面”結果時，首先要思考出現(xiàn)該結果的原因，如果能從中找出規(guī)律，總結經(jīng)驗，就能更快更好地完成接下來的實驗，提高后續(xù)實驗的效率。

本科生參與“國創(chuàng)”項目進行科研訓練，實現(xiàn)了我們走出課堂、走進實驗室動手操作，進行實地科研的目標。不僅培養(yǎng)了我們分析問題、解決問題的能力，讓我們能夠更加靈活地運用專業(yè)課所學知識，實現(xiàn)理論與實踐相結合；同時也提高了我們的抗壓能力和科研素養(yǎng)，在面對困難時，嘗試將其拆解成多個小問題，逐個擊破；在課題難以推進時，思考多種方法去應對，嘗試尋求合作，為解決問題提供更多方案。從一次次的失敗中思考解決方案、吸取經(jīng)驗教訓。這些都為我們未來的科研道路奠定了基礎。

習近平總書記在視察南開大學時曾說，希望我們能夠扎扎實實學習，同時心中也要懷有遠大目標，腳踏實地、仰望星空，為中華民族的偉大復興做出屬于我們這一代的歷史貢獻。在進行“國創(chuàng)”項目研究時，我們也謹記總書記的教導，項目旨在為國家化工行業(yè)提供高效綠色的工業(yè)生產(chǎn)方法，讓我們在高等教育階段的學習不止步于理論知識層面，更要注重把學習、實踐的具體目標同實現(xiàn)中華民族偉大復興的目標結合起來，實現(xiàn)理論聯(lián)系實際，科學研究與生產(chǎn)應用相結合。這樣，我們在未來進入相關領域工作時，也能最大限度地發(fā)揮自己的光和熱，能夠更好地服務于社會和國家。

8 結語

通過這次本科生參與的“國創(chuàng)”項目，我們團隊成功實現(xiàn)了以“鐵鹽+空氣”催化氧化體系為反應核心的C―X構建的方法，通過去氫化的方式完成了對C―C鍵和C―N鍵的構建，分別實現(xiàn)了：a) 吲哚-2-酮和烷基取代氮雜芳烴的烷基化和羥基化反應；b) 吲哚-2-酮與氨基苯甲酰胺間的雙氨化反應。目前，我們的“國創(chuàng)”團隊以本科生為第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Org. Lett.、J. Org.Chem.等國際頂尖及一流學術期刊上發(fā)表學術研究論文5篇[10]，獲批授權發(fā)明專利1項[11]。同時，我們的“國創(chuàng)”項目也入選了教育部第十二屆大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)年會，并在結題時排名第一獲得了南開大學優(yōu)秀項目的特等獎。團隊成員還參與了多項省部級、國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，如參加“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽，獲得天津市特等獎、全國二等獎；團隊成員胡仁銘獲得天津市優(yōu)秀畢業(yè)論文，賴易歡獲得南開大學優(yōu)秀畢業(yè)論文等多項榮譽。

讓本科生參與“國創(chuàng)”項目進行科研訓練，不僅能培養(yǎng)我們的科研能力，提高我們對化學科研的興趣和信心，同時能夠?qū)崿F(xiàn)“科研反哺教學”，讓我們通過科研實踐進一步鞏固專業(yè)課所學基礎知識，并了解其實際應用，做到理論與實踐相結合，達到正反饋的效果。