分享一篇最近發(fā)表在Science上的研究，題為：Diversification of aliphatic C–H bonds in small molecules and polyolefins through radical chain transfer，文章的通訊作者是北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的Frank A. Leibfarth以及Erik J. Alexanian教授。
圖1. 本文工作示意圖（A）通用的C-H活化平臺(tái)示意圖，（B）本文所發(fā)展的C-H官能化反應(yīng)，（C）本文所推測(cè)的反應(yīng)機(jī)理。
C-H鍵活化在制藥以及材料領(lǐng)域都有十分廣闊的應(yīng)用前景，然而由于C-H鍵反應(yīng)活性較低，脂肪烴的C-H活化研究一直極具挑戰(zhàn)。近年來(lái)，人們?cè)诖朔较蛏弦呀?jīng)取得了較大的進(jìn)展，但是大部分體系仍需要其他官能團(tuán)作為導(dǎo)向基團(tuán)，亦或由于反應(yīng)路徑或試劑的原因，使得此類(lèi)反應(yīng)受到了一定的限制。為了發(fā)展一種更為通用的脂肪烴C-H活化平臺(tái)，作者關(guān)注到雜原子自由基介導(dǎo)的C-H官能化反應(yīng)，此類(lèi)反應(yīng)往往在體系中先生成氮自由基，再通過(guò)氫原子轉(zhuǎn)移（hydrogen atom transfer, HAT）形成碳自由基進(jìn)而實(shí)現(xiàn)C-H活化，然而此前報(bào)道的該類(lèi)體系需要將欲修飾的官能團(tuán)直接與氮原子相連，限制了其應(yīng)用范圍。作者假設(shè)如果能夠?qū)⒌杂苫c碳自由基鏈轉(zhuǎn)移過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，則有望發(fā)展一種通用型的C-H鍵衍生化平臺(tái)（圖1）。
圖2. 文中部分小分子C-H鍵衍生化實(shí)驗(yàn)
作者選取了O-取代的異羥肟酸衍生物1作為引發(fā)劑，該試劑在70度加熱或者可見(jiàn)光照射的情況下即可形成氮自由基，進(jìn)而通過(guò)HAT以及鏈轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)C-H鍵活化（圖1C）。在以環(huán)己烷為底物的模型反應(yīng)中，作者成功的使用不同的捕獲試劑以較高的收率實(shí)現(xiàn)了其不同的衍生化（圖2）。作者進(jìn)一步拓展了底物小分子的種類(lèi)，實(shí)現(xiàn)了包括甲烷在內(nèi)的許多小分子以及天然產(chǎn)物上的C-H衍生化。結(jié)果顯示，1中叔丁基較大的位阻使其在某些例子中更傾向于修飾二級(jí)C-H。同時(shí)產(chǎn)物鹵代烴能夠進(jìn)一步衍生為其他結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步拓展了該平臺(tái)的應(yīng)用潛力。
圖3. 利用該體系對(duì)聚烯烴的功能化結(jié)果
作者進(jìn)一步將這一化學(xué)應(yīng)用于聚烯烴的C-H鍵活化，以期實(shí)現(xiàn)其功能化。目前商業(yè)化的聚烯烴衍生化主要是通過(guò)選擇性的在枝化點(diǎn)三級(jí)C-H鍵進(jìn)行修飾，但是這種方法往往會(huì)造成β斷裂，進(jìn)而降低聚合物的力學(xué)性質(zhì)，作者認(rèn)為本文體系對(duì)亞甲基的選擇性可以在一定程度上避免該現(xiàn)象的產(chǎn)生。他們首先在線性低密度聚乙烯中進(jìn)行了嘗試，成功的向其中引入了氰基。在通過(guò)核磁以及排阻色譜等手段確認(rèn)分子結(jié)構(gòu)后，他們進(jìn)一步通過(guò)該手段向不同的聚烯烴材料中引入了功能性官能團(tuán)比如氟、溴以及疊氮等，其中許多官能團(tuán)難以通過(guò)傳統(tǒng)的聚合方式進(jìn)行引入（圖3）。
圖4. 通過(guò)后修飾制備離子交聯(lián)聚烯烴的制備
聚合物的回收利用是解決塑料污染的重要方式之一，本文所發(fā)展的通用平臺(tái)有望通過(guò)對(duì)廢舊聚合物的功能化實(shí)現(xiàn)其升級(jí)再造（upcycling）。離子交聯(lián)聚烯烴（如SURLYN）是一類(lèi)具有優(yōu)良熱學(xué)性質(zhì)的高值材料，被廣泛應(yīng)用于粘合劑等領(lǐng)域。作者通過(guò)本文所發(fā)展的后修飾策略成功地制備了一種離子交聯(lián)聚烯烴，其性能與商業(yè)化產(chǎn)品相當(dāng)（圖4）。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，作者通過(guò)O-取代的異羥肟酸衍生物發(fā)展了一種C-H活化的新策略，在光照或加熱條件下，該分子均裂成一對(duì)自由基，其中氮自由基可以快速的通過(guò)HAT對(duì)C-H鍵進(jìn)行活化，而另外一種由于反應(yīng)活性較低并不會(huì)參與反應(yīng)。該策略不依賴導(dǎo)向基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了小分子以及聚合物中的C-H鍵的高效修飾，并在聚烯烴的升級(jí)再造中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
作者：Roy Wu 審校：XW
DOI: 10.1126/science.abh4308
Link: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4308
