催化劑引發的烷基化和芳基化反應的前沿進展
前言：在直接烷基化和芳基化反應中，對于取代芳香底物的區域選擇性烷基化反應仍然是一個挑戰，傳統的烷基化反應仍然屬于化學工業中的衆多過程，例如通過Friedel-Crafts化學反應合成乙基苯（27 Mt/a）或取代的o-烷基化苯胺（3 t/a）。
該類型反應的一般機理以苯的乙基化為例，乙烯經質子化反應轉化為碳正離子，并形成乙基苯，作為苯乙烯生産的中間體，形成的産物比底物本身更具反應性，是以容易發生過度烷基化，可以通過使用大量過量的苯或使用沸石作為非均相催化劑來部分避免。
除了AlCl3，其他Lewis酸，如FeCl3、TiCl4或BF3和強Brønsted酸（HF或H2SO4）也被用于Friedel-Crafts反應。
另外，瓦格納-梅爾文重排反應會降低化學選擇性，形成最穩定的烷基化碳正離子，而且，腐蝕性試劑、廢物處理、苛刻的反應條件和不必要的過度烷基化是主要的缺點。
過渡金屬催化的交叉偶聯反應可以作為芳烴烷基化的替代方法[5, 66]，通過使用預功能化的底物，可以控制反應的區域選擇性。
相比于Friedel-Crafts烷基化反應，過渡金屬催化的交叉偶聯反應避免了陽離子重排，并且較溫和的反應條件使得其對更多功能團具有容忍性，然而，不活化的烷基（僞）鹵化物，其中帶有一個β-氫原子，可能發生不期望的副反應，即β-氫消除。
雖然存在許多關于C–H活化的化學計量級過渡金屬介導反應的例子，但催化C–H活化顯然更為優越，一項值得注意的創新性突破性研究是過渡金屬催化的烯烴烴基化反應，Murai反應是一種以钌為催化劑，将酮類加到烯烴上的反應。
這一成就始于Lewis和Smith對以钌為催化劑的烯烴烴基化反應的開創性工作，Genet和Ackermann等研究團隊進一步開展了相關研究，通過使用多樣的Lewis堿性導向基和不同的钌配合物，持續的進展使得包括非活化烯烴在内的不同類型的烯烴1可以進行高效的烯烴烴基化反應，進而獲得了新型的C–H轉化反應。
值得注意的是，目前隻有少數關于直接烷基化、烯基化、炔基化和苄基化的有用協定被描述出來，Ackermann團隊進行了一項重要的工作，通過钌催化實作了芳烴28與帶有ß-氫原子的非活化烷基鹵化物29的直接烷基化反應，通過這種方法，多種雜環芳烴30，如吡啶、吡唑或酮亞胺衍生物，可以與一級和二級烷基鹵化物發生烷基化反應。
另外Hu在其研究中還進一步報道了一些具有一定酸性C-H鍵的烷基化反應的顯著例子，鎳配合物和銅鹽的組合對于電子富集和電子虧損的雜環與烷基鹵化物的偶聯反應具有高效性，Satoh和Miura等人也描述了钯催化的烷基化反應的示例，自那時以來，已經報道了多種過渡金屬用于雜環中C-H鍵的單烷基化反應。
Hennessy和Buchwald也報道了一種使用烷基鹵化物作為電泳試劑進行内分子直接烷基化合成氧代吲哚35的例子（Scheme 22）[80]，α-氯乙酰苯胺化合物34的氧化加成被認為是速率決定步驟，在α-氯乙酰苯胺化合物34和[D]5-34的競争反應中觀察不到動力學同位素效應，而在正-單氘代底物的環化反應中檢測到了一個分子内的一級同位素效應（KIE），其值為kH/kD = 4，在提出的幾種機理場景中，一條可行的途徑可能是通過一個σ鍵轉換反應（σ-bond metathesis）。
由于甲基基團是生物活性化合物中最常見的取代基之一，引入一個小的碳片段可以增加藥物分子的生物活性和實體性質的多樣性，是以甲基基團增加了分子的疏水性，并增強了其與生物分子的結合親和力，這種所謂的"神奇甲基效應"不僅是溶劑效應的結果，還可以在活性位點的疏水口袋中産生有利的構象變化，是以，一個單獨的甲基基團可以增強潛在藥物分子的效力，進而顯著增加IC50值。
結論：催化劑引發的烷基化和芳基化反應在有機合成中取得了顯著的進展，通過使用過渡金屬催化劑，可以實作對底物中的C-H鍵的直接功能化，進而建構新的碳-碳鍵，這種方法具有高度的反應選擇性和功能團容忍性，可以在溫和的反應條件下進行。
同時，通過調節催化劑的結構和反應條件，可以實作對底物中不同位置的選擇性功能化，進而獲得特定的産物，此外，催化劑引發的反應通常能夠避免傳統方法中需要大量強堿的使用，進而減少了廢棄物的生成和環境負擔。
最新的研究表明，使用多種過渡金屬催化劑，如钯、铑、鎳等，結合不同的烷基或芳基來源，如烷基鹵化物、芳基鹵化物等，可以實作高效的烷基化和芳基化反應，另外，通過引入Lewis堿或輔助配體，可以進一步提高反應的效率和選擇性。
