催化剂引发的烷基化和芳基化反应的前沿进展
前言：在直接烷基化和芳基化反应中，对于取代芳香底物的区域选择性烷基化反应仍然是一个挑战，传统的烷基化反应仍然属于化学工业中的众多过程，例如通过Friedel-Crafts化学反应合成乙基苯（27 Mt/a）或取代的o-烷基化苯胺（3 t/a）。
该类型反应的一般机理以苯的乙基化为例，乙烯经质子化反应转化为碳正离子，并形成乙基苯，作为苯乙烯生产的中间体，形成的产物比底物本身更具反应性，因此容易发生过度烷基化，可以通过使用大量过量的苯或使用沸石作为非均相催化剂来部分避免。
除了AlCl3，其他Lewis酸，如FeCl3、TiCl4或BF3和强Brønsted酸（HF或H2SO4）也被用于Friedel-Crafts反应。
另外，瓦格纳-梅尔文重排反应会降低化学选择性，形成最稳定的烷基化碳正离子，而且，腐蚀性试剂、废物处理、苛刻的反应条件和不必要的过度烷基化是主要的缺点。
过渡金属催化的交叉偶联反应可以作为芳烃烷基化的替代方法[5, 66]，通过使用预功能化的底物，可以控制反应的区域选择性。
相比于Friedel-Crafts烷基化反应，过渡金属催化的交叉偶联反应避免了阳离子重排，并且较温和的反应条件使得其对更多功能团具有容忍性，然而，不活化的烷基（伪）卤化物，其中带有一个β-氢原子，可能发生不期望的副反应，即β-氢消除。
虽然存在许多关于C–H活化的化学计量级过渡金属介导反应的例子，但催化C–H活化显然更为优越，一项值得注意的创新性突破性研究是过渡金属催化的烯烃烃基化反应，Murai反应是一种以钌为催化剂，将酮类加到烯烃上的反应。
这一成就始于Lewis和Smith对以钌为催化剂的烯烃烃基化反应的开创性工作，Genet和Ackermann等研究团队进一步开展了相关研究，通过使用多样的Lewis碱性导向基和不同的钌配合物，持续的进展使得包括非活化烯烃在内的不同类型的烯烃1可以进行高效的烯烃烃基化反应，从而获得了新型的C–H转化反应。
值得注意的是，目前只有少数关于直接烷基化、烯基化、炔基化和苄基化的有用协议被描述出来，Ackermann团队进行了一项重要的工作，通过钌催化实现了芳烃28与带有ß-氢原子的非活化烷基卤化物29的直接烷基化反应，通过这种方法，多种杂环芳烃30，如吡啶、吡唑或酮亚胺衍生物，可以与一级和二级烷基卤化物发生烷基化反应。
另外Hu在其研究中还进一步报道了一些具有一定酸性C-H键的烷基化反应的显著例子，镍配合物和铜盐的组合对于电子富集和电子亏损的杂环与烷基卤化物的偶联反应具有高效性，Satoh和Miura等人也描述了钯催化的烷基化反应的示例，自那时以来，已经报道了多种过渡金属用于杂环中C-H键的单烷基化反应。
Hennessy和Buchwald也报道了一种使用烷基卤化物作为电泳试剂进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的氧化加成被认为是速率决定步骤，在α-氯乙酰苯胺化合物34和[D]5-34的竞争反应中观察不到动力学同位素效应，而在正-单氘代底物的环化反应中检测到了一个分子内的一级同位素效应（KIE），其值为kH/kD = 4，在提出的几种机理场景中，一条可行的途径可能是通过一个σ键转换反应（σ-bond metathesis）。
由于甲基基团是生物活性化合物中最常见的取代基之一，引入一个小的碳片段可以增加药物分子的生物活性和物理性质的多样性，所以甲基基团增加了分子的疏水性，并增强了其与生物分子的结合亲和力，这种所谓的"神奇甲基效应"不仅是溶剂效应的结果，还可以在活性位点的疏水口袋中产生有利的构象变化，因此，一个单独的甲基基团可以增强潜在药物分子的效力，从而显著增加IC50值。
结论：催化剂引发的烷基化和芳基化反应在有机合成中取得了显著的进展，通过使用过渡金属催化剂，可以实现对底物中的C-H键的直接功能化，从而构建新的碳-碳键，这种方法具有高度的反应选择性和功能团容忍性，可以在温和的反应条件下进行。
同时，通过调节催化剂的结构和反应条件，可以实现对底物中不同位置的选择性功能化，从而获得特定的产物，此外，催化剂引发的反应通常能够避免传统方法中需要大量强碱的使用，从而减少了废弃物的生成和环境负担。
最新的研究表明，使用多种过渡金属催化剂，如钯、铑、镍等，结合不同的烷基或芳基来源，如烷基卤化物、芳基卤化物等，可以实现高效的烷基化和芳基化反应，另外，通过引入Lewis碱或辅助配体，可以进一步提高反应的效率和选择性。
