C−H键在自然界中无处不在，开发直接有效的C−H键功能化方法对于化学品生产、药物研发和新型功能材料的探索至关重要。钯(Pd)因其优异的氧化还原能力和与各种偶联试剂的高度兼容性，被广泛用于C−H活化/C−C和C−杂原子键的合成。另外，利用不同类型的配体支架可以提高反应效率并控制钯介导的C−H裂解的化学、区域和立体选择性。在均相反应中，钯催化剂往往会被迅速还原生成Pd(0)纳米颗粒从而失活，导致大多数C−H活化反应的转化数(TON)较低(TON < 10)。为了显著提高钯催化剂的TON以拓宽合成应用，可以通过引入合适的催化剂载体来提高催化剂的稳定性，形成高效且可回收的钯催化剂，满足开发可持续C−H活化工艺的要求。由于富电子的含氮配体（例如吡啶和喹啉衍生物）与Pd(II)/Pd(IV)催化循环高度兼容，因此它们已被引入聚合物和胶束材料中。然而，由于聚合物载体灵活性高，单齿配体与Pd(II)的结合能力又相对较弱，难以防止催化剂失活和钯的解离，经过几轮循环后，催化剂仍会失去活性。

本文利用共价有机框架(COF)作为载体，在COF骨架中构建了富电子氮基配体序列，通过后合成环金属化的方法引入了具有催化活性的环钯物种。该策略不仅能提⾼钯中间体的稳定性，而且避免了⽆活性的Pd(0)纳⽶颗粒的形成。另外，将环钯物种引⼊到不同COF载体中还可以实现催化剂可调性，从而促进不同杂环底物的C−H芳基化。

图1. COF负载环钯配合物的合成示意图

2-芳基吡啶和苯甲醛衍生的亚胺与醋酸钯的环钯化在各种有机溶剂中都能够快速进行，而2-芳基喹啉与醋酸钯在乙酸以外的溶剂中的环钯化速率则明显较慢(图1a)。本文报道了一种新型喹啉连接的COF材料，由炔丙基氧基与亚胺键通过分子内氮杂-[4+2]环加成形成，该材料在酸性环境中非常稳定。预先引入烷氧基官能团，有助于在COF载体上形成富电子环钯物种(图1b)。值得注意的是，对于苯甲醛衍生的亚胺，Pd(II)介导的C−H断裂在动力学和热力学上都占优势，因此亚胺COF材料的合成后环钯化能够产生具有环钯物种的COF催化剂，而不是形成位于COF层间的异质化钯物种(图1c)，这得到了一系列表征数据的支持。除了提高高价钯中间体的稳定性和防止形成无活性的Pd(0)纳米颗粒外，将环钯物种整合到不同类型的COF载体中还提供了高度的催化剂可调性，以促进具有不同电性的杂环底物的C−H芳基化。

图2. COF负载环钯配合物的合成示意图

表1. Pd@Quin-COF-1催化N-甲基吲哚的C2选择性C−H芳基化反应

在得到用于C−H芳基化的高效异相钯催化剂后，我们研究了N-甲基吲哚衍生物和二芳基碘四氟硼酸盐的底物适用性(表1)。吲哚环底物能兼容各种给电子和吸电子取代基，包括Weinreb酰胺(3g)和除碘基以外的卤素原子(3h−3j)。在3号位(3k)引入甲基取代基后，尽管C−H断裂过程中的空间位阻有所增加，但C2选择性C−H芳基化仍然可以顺利进行。对于2号位有取代基的底物，选择性C−H芳基化会在3号位发生(3l)。除此以外，其他具有不同空间和电子性质的二芳基碘偶联物均表现出优异的反应性，芳基化产物的产率为74−96%(3m−3t)。

本文报道了新型喹啉和亚胺连接的COF材料的合成和表征，此类材料可用作固相载体，以制备具有高稳定性和反应性的环钯催化剂。值得注意的是，这是环钯物种首次被用于异相催化体系的C−H活化。根据Pd(II)/Pd(IV)氧化还原机理，固定在COF中的环钯物种能够促进吲哚和吡咯衍生物的C2选择性C−H芳基化。回收的异相钯催化剂均具有优秀的可循环性。这项研究为建立既实用又可持续的绿色化学合成C−H活化工艺，提供了一种具有巨大潜力的替代策略。

何健 教授

何健，香港大学化学系助理教授（课题组主页：https://www.helab.org/  ）。于2011年在浙江大学获得学士学位（师从麻生明院士），随后在美国斯克里普斯研究所（Scripps Research）获得博士学位（师从余金权教授，美国艺术与科学院院士），并于2016年底在加州理工学院化学与化学工程学院（师从Jonas C. Peters教授，美国科学院院士）开展博士后研究工作。于2019年8月入职香港大学化学系并依托国家重点实验室建立独立科研团队，并致力于有机化学、无机化学与材料科学的交叉学科研究。其课题组的研究重点是设计并发展一系列以有机框架材料和纳米团簇为基础的新型催化剂应用于有机合成化学。多年来，何健博士在碳氢键活化、不对称催化以及光激发自由基化学等领域开展了多项开创性工作。目前以第一作者或通讯作者的身份在Science、Nature Catalysis、Nature Communications、ACS Central Science、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Chemical Engineering Journal、Advanced Functional Materials、Nano Letters、JACS Au、ACS Catalysis等著名国际期刊上共发表科研论文40余篇，引用次数超过5200次，H-index为24。2021年获得裘槎前瞻科研大奖，2024年获国家优秀青年科学基金。欢迎对我们研究工作感兴趣并有志于加入一起探索非均相催化、有机合成以及纳米材料领域的博士后和博士研究生联系何健博士（jianhe@hku.hk）。

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