用于近室温下C-H烷基化和芳基化的Ruthenium(II)羧酸盐催化剂

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Arene Ruthenium(II) Carboxylates for C─H Alkylations and Arylations at Near Room Temperature

C-H烷基化在室温及温和条件下实现，采用稳定钉(II)羧酸根催化剂，适用于烷基溴、芳基溴及生物分子，动力学研究表明熵效应显著，Arrhenius分析显示低活化能，配体场理论解释选择性差异。

　　在化学合成领域，催化剂的开发一直是提升反应效率、选择性和实用性的关键。近年来，随着对更加温和反应条件的追求，C─H活化（碳-氢键活化）作为一种高效构建C─C和C─X键的方法，受到了广泛关注。特别是在工业和实验室应用中，研究人员不断探索能够在常温下进行的C─H活化体系，以减少对高温反应条件的依赖，提高反应的便捷性和适用性。其中，以廉价、稳定且易于使用的钌(II)羧酸配合物为催化剂的C─H活化研究取得了显著进展。这类催化剂不仅具有良好的稳定性，还能够在接近室温的条件下实现高效的反应，同时展现出对多种底物的广泛适用性。

研究中发现，某些钌(II)配合物在常温下即可实现C─H烷基化反应，但需要一定的催化剂负载量。通过详细的动力学研究，研究人员发现特定的钌配合物，如[Ru(O?CR)?(phen)]，在稳定状态下的催化性能表现优异。进一步的阿伦尼乌斯图分析表明，这类配合物的活化能与另一种常见的钌配合物[Ru(t-BuCN)?(H?O)](BF?)?相近，说明反应的差异主要来源于熵变因素。这为理解催化剂的反应机制提供了新的视角，即在某些情况下，反应速率不仅取决于活化能，还与反应物在反应过程中的排列和有序性密切相关。

为了验证这些催化剂在温和条件下的有效性，研究者对多种底物进行了测试。结果表明，使用钌(II)羧酸配合物作为预催化剂时，能够实现对一级、二级以及三级烷基溴化物的烷基化反应，并且对不同位置的官能团表现出良好的选择性。这种反应不仅适用于简单的有机分子，还适用于结构复杂、热敏感的生物相关化合物，为后期官能团化提供了广泛的可能性。此外，研究人员还发现，某些钌配合物，如[RuCl?(η?-C?H?)]?，在特定温度下表现出较高的催化效率，但其性能受到催化剂负载量和反应条件的影响。

在进一步的研究中，研究者通过对比不同催化剂的反应动力学数据，发现钌(II)羧酸配合物在较低的负载量下依然能够保持较高的反应效率，甚至在某些情况下比传统催化剂表现出更优的性能。例如，当使用5.0 mol%的[Ru(O?CR)?(phen)]作为催化剂时，能够实现高效的反应，而传统的催化剂可能需要更高的负载量才能达到相似的效果。此外，反应过程中观察到的诱导期和反应速率的差异也进一步支持了这一结论。这表明，催化剂的设计和配体的选择对反应的效率和选择性具有重要影响。

在对反应机制的深入探讨中，研究者通过同位素实验（KIE）进一步验证了反应路径。结果表明，不同催化剂对C─H键的活化能力存在差异，且反应的速率常数和活化能也有所不同。这不仅揭示了反应的热力学特性，还说明了熵变在反应速率控制中的重要作用。通过这些实验，研究人员能够更清晰地理解催化剂在反应中的作用，以及不同配体对反应性能的影响。

此外，研究者还对不同官能团在反应中的作用进行了评估。结果表明，某些官能团，如氮杂环、氧杂环和芳基卤化物，能够有效引导反应的进行，提高反应的选择性和产率。这些发现为C─H活化反应的应用提供了新的思路，尤其是在后期官能团化和合成复杂分子时。同时，研究者还发现，某些催化剂在特定条件下能够实现更高效的反应，如在较低温度下使用不同的配体，能够显著提升反应效率，从而减少对高温反应条件的依赖。

综上所述，该研究展示了在温和反应条件下，使用廉价且易于操作的钌(II)羧酸配合物作为催化剂，能够实现高效的C─H活化反应。这些催化剂不仅表现出良好的选择性和适用性，还能够广泛适用于不同类型的底物，包括一级、二级和三级烷基溴化物。通过详细的动力学分析和同位素实验，研究人员能够更深入地理解催化剂的反应机制，为未来催化剂的设计和优化提供了理论支持。此外，这些发现也为有机合成中的后期官能团化和构建复杂分子提供了新的工具和方法，具有重要的应用价值。