作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。
2023年第一期（总第129期）专栏文章，由来自中国科学院化学研究所副研究员 中国科学院青年创新促进会会员 张展荣，就 Cell Reports Physical Science中的论文发表述评。
吡啶类化合物作为一类重要的N-杂环化合物，在医药、农业化学品以及生物科学等方面有广泛应用。开发吡啶类化合物C-H键的选择性活化与官能化的方法可提高相关反应的原子经济性。由于吡啶类化合物的缺电子性以及其中路易斯碱性的氮原子与过渡金属具有较强的亲和力，使得吡啶类化合物的选择性催化转化非常具有挑战性。近年来，大量研究表明路易斯酸可提高过渡金属催化体系在二氧化碳还原、C-H键官能化、烯烃聚合、烯烃及炔烃加氢等反应的活性和选择性（图1A，B）。在路易斯酸/过渡金属催化剂体系中，路易斯酸可提升催化体系对吡啶类底物的活化效果。与此同时，路易斯酸可提供“牺牲”的配位位点与路易斯碱性的氮原子发生配位作用，通过这种配位作用，路易斯酸可使得相应的催化体系具有区域选择性的催化效果。从而，催化体系中的异金属配合物可通过协同作用，来实现吡啶类化合物C-H键的区域选择性官能化反应。最近，德克萨斯大学里奥格兰德河谷分校的Manar M. Shoshani博士在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表Perspective文章，总结了近期在异金属配合物区域选择性催化吡啶类化合物C-2、C-3和C-4位的C-H键的活化和官能化反应（图1C），并对该类反应的发展趋势进行了展望。
作者首先总结了近期在原位生成的路易斯酸/过渡金属配合物催化体系方面取得的研究进展。针对不同的反应位点（C-2、C-3和C-4位），研究者们利用过渡金属与路易斯酸的协同作用，实现了C-H键的区域选择性官能化反应（图2）。例如，对于C-2位的C-H键活化转化，利用二甲基锌作为路易斯酸，Ni(COD)2/ZnMe2/三异丙基膦催化体系可催化吡啶与炔烃之间的碳氢键烯基化反应。反应过程中，路易斯酸性的锌金属中心可与吡啶配位，从而实现C-2位的区域选择性反应。Ni(COD)2/PCy3/芳基锌试剂催化体系可实现多种N-杂环化合物C-2位的芳基化反应。另外，一些单核金属配合物也可高效催化包括吡啶类、噻吩类以及呋喃类化合物在内的杂环化合物的邻位C-H键硼化反应。对于吡啶类化合物对位（C-4位）C-H键的选择性转化，研究者们开发了几种Ni/Al/N-杂环卡宾催化体系。反应过程中，结构较大的N-杂环卡宾配体和路易斯酸性铝添加剂与吡啶类底物中氮原子的配位作用起到空间位阻的效果，从而实现C-4位C-H键的选择性活化转化。通过在N-杂环卡宾的侧链上引入氨基官能团，Ni(COD)2/AlMe3/NHC ligand催化体系可在温和的反应条件下，实现吡啶对位C-H键与炔烃之间的烯基化反应。Ir/铝基路易斯酸催化体系可实现吡啶对位的选择性硼化反应。与C-2位和C-4位的C-H键相比，C-3位的C-H键的选择性活化与转化的难度更高，相关的研究也相对较少。Ni/ligand/铝基路易斯酸和Ir/ligand/铝基路易斯酸催化体系可实现吡啶类化合物C-3位的选择性烯基化和硼化反应。这些研究表明路易斯酸可在反应过程中提供更好的区域选择性，配体的类型与结构对反应的选择性有较大影响。
近年来，研究者们利用路易斯酸与过渡金属的协同作用实现了多种N-杂环化合物的选择性活化转化，但是对于相关反应的机理并不明确，开发的催化体系也有很大优化空间。为了进一步研究反应机理并提高反应的活性和选择性，研究者们利用结构明确的异金属配合物作为催化剂来实现吡啶类化合物C-H键的选择性活化和官能化反应。例如，研究者们开发了基于多齿配体的Rh-Al配合物（图3A）。通过调整配合物结构，不同结构的异金属配合物催化剂可催化吡啶衍生物C-2位C-H键硅烷化反应（图3B）或吡啶类化合物与烯烃之间的烷基化反应（图3C）。此外，研究者们也开发了多种Ni/路易斯酸配合物催化剂（图4）或Fe-Al基金属配合物催化剂（图5），这类异金属催化剂对于吡啶类化合物C-2位C-H键的选择性活化，均有较好的效果。
综上所述，路易斯酸可提高过渡金属催化吡啶类化合物C-H键官能化反应的反应活性和区域选择性。针对吡啶类化合物不同的反应位点（C-2、C-3和C-4位），研究者们利用过渡金属与路易斯酸的协同作用，开发了多种原位生成或具有明确结构的路易斯酸/过渡金属配合物催化剂或催化体系，实现了C-H键的区域选择性官能化反应。利用具有明确结构的异金属配合物不仅更易阐明反应机理与路径，还可促进开发更加高效、稳定的路易斯酸/过渡金属配合物催化剂。迄今，这方面的研究仍然不多，主要集中于吡啶类化合物C-2位C-H键的活化转化。但是，基于上述原因，这一领域已经成为N-杂环化合物选择性官能化反应研究方面的一个重要研究内容。作者认为，开发可区域选择性催化活化吡啶类化学品C-H键的路易斯酸/过渡金属配合物催化剂或催化体系方面的研究方兴未艾。一方面，我们应当深入理解已开发催化体系的反应机理，以指导我们开发出具有更好活性和选择性的异金属配合物催化剂；另一方面，研究者们需要重视开发可高选择性活化吡啶类化合物C-3和C-4位点的异金属配合物催化剂或催化体系。
近二十年来，研究者们不断地开发出多种N-杂环化合物的区域选择性C-H键官能化的方法。路易斯酸与后过渡金属配合物所产生的协同效果可促进区域选择性催化转化。因此，在配体和金属路易斯酸前驱体设计方面取得的进展促进了适用于催化吡啶C-2、C-3和C-4位的C-H键的官能化反应的原位协同催化剂的开发。近期，研究者们不断致力于开发可催化C-H键转化的异金属配合物催化剂，已经实现了C-2位的区域选择性转化。在此，本文通过评述一些近期实现的利用路易斯酸与后过渡金属的协同作用的前期工作，来阐明促进C-H键区域选择性官能化的催化体系开发的过程。另外，本文也讨论了可区域选择性活化转化吡啶C-H键的潜在方法和途径。
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