铟(I)/手性磷酸催化简单烯烃与β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应

李速家 吕健 罗三中

引用本文: 李速家, 吕健, 罗三中. 铟(I)/手性磷酸催化简单烯烃与β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应[J]. 化学学报, 2018, 76(11): 869-873. doi: 10.6023/A18060227 shu
Citation:  Li Sujia, Lü Jian, Luo Sanzhong. Enantioselective Indium(I)/Chiral Phosphoric Acid-catalyzed[4+2] Cycloaddition of Simple Olefin and β, γ-Unsaturated α-Keto Esters[J]. Acta Chimica Sinica, 2018, 76(11): 869-873. doi: 10.6023/A18060227 shu

铟(I)/手性磷酸催化简单烯烃与β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应

    通讯作者: 吕健, E-mail: lvjian@iccas.ac.cn; 罗三中, E-mail: luosz@iccas.ac.cn; Tel.: 0086-010-62554446
  • 基金项目:

    项目受国家自然科学基金(Nos.21390400,21521002,21472193)和中国科学院项目(No.QYZDJ-SSW-SLU023)资助

摘要: 报道了In(I)Cl/手性磷酸1a双酸体系催化的简单烯烃和βγ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应,可高产率、高选择性(最高99:1dr,99%ee)生成相应的exo-[4+2]环加成产物.InCl和磷酸的协同作用是反应成功的关键,单独使用InCl和磷酸都不能催化反应进行.

English

  • 简单烯烃是大宗石油化工产品.利用简单烯烃作为C2合成子, 发展其与α, β-不饱和羰基化合物的[4+2]环加成反应制备3, 4-二氢-2H或四氢吡喃环化合物具有十分重要的应用价值[1, 2].近年来, 尽管科学家们进行了大量的尝试, 但到目前为止关于不对称催化这一反应的成功报道仍然十分有限[3]. 2013年, 我们小组[4~6]在前期发展的不对称双酸催化体系InBr3/手性磷酸1a的基础上, 通过额外加入AgBArF原位生成的手性阳离子铟(III)催化体系, 实现了简单工业烯烃(包括:丙烯、异丁烯和苯乙烯等)和β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应, 高效、高立体选择性地获得exo-选择性的环加成产物(图 1a)[3a]; 此外, 还通过改变金属阳离子从铟(III)到钪(III), 也可以同样高效、高选择性地获得endo-选择性的环加成产物.随后, Ishihara等[3b]利用手性Cu(II)催化剂实现了烯丙基硅烷与β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应.虽然该类型反应已经实现了优秀的不对称转化反应, 但仍然存在明显的缺陷, 其中最为主要的是在强路易斯酸的催化条件下, 富电子烯烃(如: 4-甲氧基苯乙烯)容易发生无法避免的烯烃聚合反应; 同时AgBArF十分昂贵, 限制了其广泛应用.

    近年来, 铟(III)盐及其配合物作为路易斯酸催化剂广泛应用在有机合成反应中[7, 8].相比于铟(III), 金属铟(I)由于具有空的p轨道和一对孤对电子, 使其在有机反应中展现出独特的催化行为[9].然而, 手性铟(I)的不对称催化反应只有零星的报道[10]. Kobayashi小组[10a, 10b]首次利用手性铟(I)催化实现了烯丙基硼试剂分别与腙和N, O-缩醛的不对称烯丙基化反应.最近, 我们小组利用铟(I)-手性磷酸的双酸催化体系实现了联烯醚与β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应[10c].研究发现手性铟(I)催化体系可大大降低底物联烯醚的聚合现象, 表现出优越的催化活性和选择性.该实验结果的发现促使我们进一步发展手性铟(I)催化简单烯烃参与的不对称[4+2]环加成反应(图 1b).

    图 1

    图 1.  手性铟(I)不对称催化简单烯烃参与的[4+2]环加成反应
    Figure 1.  Chiral In(I)-catalyzed [4+2] cycloaddition of simple olefins

    首先, 在室温的条件下, 我们使用苯乙烯2a (0.50 mmol), β, γ-不饱和α-酮酸酯3a (0.10 mmol)为反应底物, 二氯甲烷(0.5 mL)为溶剂, 3 分子筛为添加剂(10 mg), 以手性磷酸1a (5 mol%)为布朗斯特酸催化剂, 对不同的路易斯酸(5 mol%)进行了筛选(表 1).当只用手性磷酸1a时, 反应不能进行(Entry 1).当选用不同的路易斯酸(如: In(III), In(I), Cu(II)和Ni(II)盐), 如表 1所示, 我们观察到了不同的催化结果. InBr3, Cu(OTf)2和Ni(OTf)2几乎不能催化[4+2]环加成反应(Entries 2~4);有趣的是, 作为一种较弱的路易斯酸催化剂, InCl本身虽然不能催化该反应(Entry 5), 但其与手性磷酸1a相结合, 就可以顺利的催化[4+2]环加成反应, 并获得20%产率和优秀的立体选择性(>95:5 dr, 92% ee, Entry 6).此外, 我们对In(I)的抗衡阴离子进行了考察(Entries 6~8), 令人惊讶的是, 将抗衡阴离子由Cl变为I时, 反应仍然可以进行, 但只能获得外消旋化的产物(Entry 7);当抗衡阴离子为非配位性的阴离子BArF时, 反应几乎不能进行(Entry 8).随后, 我们对催化体系中的添加剂也进行了筛选后发现(Entries 6, 9~11), 当4 分子筛为添加剂时, 可以获得最优的结果, 产率为25%, 对映选择性为97% ee, 非对映选择性>95:5 dr (Entry 9), 然而当使用13X分子筛时, 完全不发生反应(Entry 11).将催化计量变为10 mol%时, 反应产率大幅提高达85%, 对映选择性有所降低达95% ee (Entry 12).

    表 1

    表 1  不同路易斯酸和手性磷酸1在苯乙烯2a和酮酸酯3a的不对称[4+2]环加成反应中的筛选a
    Table 1.  Screen of different Lewis acid and chiral phosphoric acid in the asymmetric [4+2] cycloaddition of β, γ-unsaturated α-keto ester 3a with styrene 2a
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    Entryb LA CPA 1 Solvent Yieldc/% drd eee/%
    1 None 1a CH2Cl2 NR
    2 InBr3 1a CH2Cl2 NR
    3 Cu(OTf)2 1a CH2Cl2 Trace
    4 Ni(OTf)2 1a CH2Cl2 NR
    5 InCl None CH2Cl2 NR
    6 InCl 1a CH2Cl2 20 >95:5 92
    7 InI 1a CH2Cl2 20 >95:5 Rac
    8 InBArF 1a CH2Cl2 Trace
    9f InCl 1a CH2Cl2 25 >95:5 97
    10g InCl 1a CH2Cl2 20 >95:5 91
    11h InCl 1a CH2Cl2 NR
    12f, i InCl 1a CH2Cl2 85 >95:5 95
    13 f, i InCl 1b CH2Cl2 NR
    14 f, i InCl 1c CH2Cl2 20 >95:5 78
    15 f, i InCl 1d CH2Cl2 55 >95:5 68
    16 f, i InCl 1e CH2Cl2 NR
    17 f, i InCl 1a CHCl3 81 >95:5 99
    18 f, i InCl 1a PhCH3 60 >95:5 98
    19 f, i InCl 1a Et2O NR
    20 f, i InCl 1a THF NR
    21 f, i InCl 1a CH3CN NR
    a CPA=chiral phosphoric acid, LA=Lewis acid, Tf=trifluoro methanesulfonyl, BArF=[3, 5-(CF3)3C6H3]4B, NR=No reaction. b General conditions: 2a (0.50 mmol), 3a (0.10 mmol), 1a (5 mol%), InCl (5 mol%) and 3 MS (10 mg), at room temperature, in CH2Cl2 (0.5 mL) for 24 h. c Isolated product yield. d Diastereoselectivities (exo/endo) were determined by 1H NMR. e Enantioselectivities were determined by HPLC analysis; f 4 MS (10 mg). g 5 MS (10 mg). h 13X MS (10 mg). i 1a (10 mol%) and InCl (10 mol%).

    接下来, 在室温条件下, 我们使用苯乙烯2a (0.50 mmol), β, γ-不饱和α-酮酸酯3a (0.10 mmol)为反应底物, 二氯甲烷(0.5 mL)为溶剂, 4 分子筛为添加剂(10 mg), 以InCl (10 mol%)为路易斯酸催化剂, 对不同手性磷酸(10 mol%)进行筛选, 其中以手性磷酸1a为催化剂获得了最好的结果, 而使用其它磷酸时, 反应则没有活性或仅获得较差的对映选择性(Entries 12 vs. 13~16).

    最后, 我们对反应的不同溶剂进行筛选.从表 1中结果可以看出, 当使用配位性溶剂时, 如乙醚(Et2O)、四氢呋喃(THF)和乙腈(CH3CN), 反应不能发生(Entries 19~21);当反应溶剂为氯仿(CHCl3)时, 获得最优结果, 即产率为81%, 非对映选择性>95:5 dr, 对映选择性为99% ee (Entry 17), 而反应溶剂为甲苯时, 反应也能顺利进行并获得优秀的立体选择性, 只是产率有所降低(Entry 18).

    以筛选出的最佳反应条件:在室温条件下, 以InCl (10 mol%)为路易斯酸, 手性磷酸1a (10 mol%)为布朗斯特酸, 氯仿为反应溶剂, 4 分子筛为添加剂, 进行不同苯乙烯2和不同取代的β, γ-不饱和α-酮酸酯3的不对称[4+2]环加成反应, 结果列于表 2中.

    表 2

    表 2  苯乙烯类底物拓展
    Table 2.  Substrate scope of asymmetric [4+2] cycloaddition of styrenes
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    Entrya Product Yieldb/% drc eed/%
    1 81 >95:5 99
    2 50 >95:5 98
    3 85 >95:5 99
    4 59 >95:5 94
    5 50 >95:5 97
    6 60 >95:5 95
    7 55 >95:5 97
    8 60 >95:5 96
    9 20 51:49 82 /Race
    10 80 >95:5 95
    11 70 >95:5 87
    12 50 >95:5 98
    13 50 >95:5 99
    a General conditions: 2 (0.50 mmol), 3 (0.10 mmol), 1a (10 mol%), InCl (10 mol%) and 4 MS (10 mg), at room temperature, in CHCl3 (0.5 mL) for 24 h. b Isolated product yield. c Diastereoselectivities (exo/endo) were determined by 1H NMR. d Enantioselectivities were determined by HPLC analysis. e Racemic endo-4i was obtained.

    首先, 我们对α-酮酸酯底物进行了拓展.对于γ-芳基取代的酮酸酯(Entries 1~7), 无论是吸电子基(F, Cl, Br)还是给电子基(CH3)的底物都能与苯乙烯2a顺利发生反应, 并获得中等到较好的收率(50%~85%)和优秀的立体选择性(>95:5 dr, 94%~99% ee).此外, 我们发现萘基取代的酮酸酯也能与苯乙烯发生反应, 获得产率为60%, 非对映选择性>95:5 dr, 对映选择性为96% ee (Entry 8).当反应底物为γ-烷基取代的酮酸酯时, 反应的产率和立体选择性都大幅降低(Entry 9).

    接下来对不同取代的苯乙烯类底物3b~3e进行了考察.研究发现吸电子基(4-Cl, Br)取代的苯乙烯在反应中能获得中等产率和优秀立体选择性的产物(Entries 12, 13).而相比于吸电子基团, 给电子基(4-Me)取代的苯乙烯和β, γ-不饱和α-酮酸酯3a反应时, 能获得更高的产率(80%)和优秀的立体选择性(Entry 10).强给电子对甲氧基苯乙烯也能顺利反应, 给出70%产率和87% ee (Entry 11).

    除苯乙烯类底物外, 对其它桥环类烯烃也进行了考察(表 3).对降冰片烯5a和降冰片二烯5b进行考察, 我们发现γ-芳基、芳杂环的α-酮酸酯都能顺利发生不对称[4+2]环加成反应, 并获得单一构型产物6a~6j, 产率为80%~95%, 对映选择性为82%~96% ee (Entries 1~10).此外, 当烯烃为环戊二烯二聚体5c时, 反应同样可以进行, 并获得产率为90%, 对映选择性为93% ee的环加成产物(Entry 11).

    表 3

    表 3  桥环类型烯烃底物拓展
    Table 3.  Substrate scope of asymmetric [4+2] cycloaddition of bridging olefins
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    Entry a Product Yieldb/% drc eed/%
    1 90 >99:1 87
    2 95 >99:1 95
    3 85 >99:1 86
    4 80 >99:1 96
    5 80 >99:1 95
    6 80 >99:1 96
    7 80 >99:1 94
    8 80 >99:1 91
    9 84 >99:1 84
    10 82 >99:1 82
    11 93 >99:1 93
    a General conditions: 5 (0.50 mmol), 3 (0.10 mmol), 1a (10 mol%), InCl (10 mol%) and 4 MS (10 mg), at room temperature, in CHCl3 (0.5 mL) for 24 h. b Isolated product yield. c Diastereoselectivities (exo/endo) were determined by 1H NMR. d Enantioselectivities were determined by HPLC analysis.

    根据产物4a的绝对构型(2R, 4S), 我们提出了过渡态模型来解释非对映选择性和对映选择性(图 2):该反应可能是通过α-酮酯与手性磷酸1a-InCl络合物的单齿配位促进发生的.手性磷酸1a的加入一方面大大促进了中心金属InCl在反应溶剂中的溶解度; 另一方面通过对空间位阻的调节, 使烯烃高选择性的从位阻较小的一侧对α-酮酯攻击(图 2, TS-I), 烯醇负离子从碳正离子的背面进攻, 随后环化形成产物(图 2, TS-II).在反应过程中, 我们认为卤负离子是作为一价铟的配体出现的, 因为当卤负离子被交换为弱配位BArF时, 反应几乎不发生(表 1, Entry 8).此外, 卤负离子的大小也至关重要, 当卤负离子由Cl变为半径更大的I时, 反应虽然能够顺利发生, 但却无法实现立体控制(表 1, Entry 7).

    图 2

    图 2.  可能过渡态
    Figure 2.  Proposed transition-state models

    利用双酸催化剂InCl/手性磷酸1a, 考察其在苯乙烯及其衍生物和β, γ-不饱和α-酮酸酯的不对称[4+2]环加成反应中的应用.除了脂肪烃取代的α-酮酸酯外, 反应都能获得中等到优秀的产率(最高达81%), 优秀的非对映选择性(>95:5 dr, exo/endo)和优秀的对映选择性(最高可达99% ee).更为重要的是, 手性In(I)催化体系, 对于富电子烯烃(如: 4-甲氧基苯乙烯)也能很好的适用.此外, 该催化体系能成功实现桥环烯烃(如:降冰片烯、降冰片二烯和环戊二烯二聚体)的不对称[4+2]环加成反应, 并能获得优秀的产率(最高达95%)和立体选择性(对映选择性最高达96% ee)的产物.总之, 本工作表明相比于手性In(III)催化体系, In(I)/手性磷酸1a双酸催化体系能很好的催化富电子烯烃包含在内的烯烃高效转化反应.就此类反应而言, 一价铟和手性磷酸体系更为简单, 因此更具优势和应用前景.关于一价铟和手性磷酸的结合模式以及催化反应的机理等方面的研究正在进行中.

    1. [1]

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    6. [6]

      For reviews on chiral phosphoric acid and metal combined catalysis, see: (a) Rueping, M.; Koenigs, R. M.; Atodiresei, I. Chem. Eur. J. 2010, 16, 9350. (b) Phipps, R. J.; Hamilton, G..; Toste, F. D. Nat. Chem. 2012, 4, 603. (c) Mahlau, M.; List, B. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 518. (d) Brak, K.; Jacobsen, E. N. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 534. (e) Wu, X.; Li, M.; Gong, L.-Z. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 1091 (in Chinese). (吴祥, 李明丽, 龚流柱, 化学学报, 2013, 71, 1091). (f) Yamashita, Y.; Tsubogo, T.; Kobayashi, S. Chem. Sci. 2012, 3, 967. (g) Lv, J.; Luo, S. Chem. Commun. 2013, 49, 847. (h) Chen, D.-F.; Han, Z.-Y.; Zhou, X.-L.; Gong, L.-Z. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2365.

    7. [7]

      For reviews on indium (Ⅲ) as a Lewis acid, see (a) Ranu, B. C.; Eur. J. Org. Chem. 2000, 2347. (b) Ghosh, R. Maiti, S. J. Mol. Catal. A: Chem. 2007, 264, 1. (c) Osten, K. M.; Mehrkhodavandi, P. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 2861.

    8. [8]

      For recent selected examples of chiral indium(Ⅲ) Lewis acid- catalysis, see: (a) Zhao, J.-F.; Tsui, H.-Y.; Wu, P.-J.; Lu, J.; Loh, T.-P. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16492. (b) Yu, Z.; Liu, X.; Dong, Z.; Xie, M.; Feng, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1308. (c) Lin, L.; Kuang, Y.; Liu, X.; Feng, X. Org. Lett. 2011, 13, 3868. (d) Zhao, J.-F.; Tan, B.-H.; Loh, T.-P. Chem. Sci. 2011, 2, 349. (e) Zhao, B. Loh, T.-P. Org. Lett. 2013, 15, 2914. (f) Praveen, C.; Montaignac, B.; Vitale, M. R.; Ratovelomanana-Vidal, V.; Michelet, V. ChemCatChem 2013, 5, 2395. (g) Zhang, X.; Wang, M.; Ding, R.; Xu, Y.-H.; Loh, T.-P. Org. Lett. 2015, 17, 2736. (h) Wang, L.; Lv, J.; Zhang, L.; Luo, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 10867.

    9. [9]

      (a) Schneider, U.; Kobayashi, S. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 1331. (b) Tuck, D. G. Chem. Soc. Rev. 1993, 22, 269. (c) Andrews, C. G. Macdonald, C. L. B. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 7453. (d) Cooper, B. F. T.; Andrews, C. G.; Macdonald, C. L. B. J. Organmet. Chem. 2007, 692, 2843. (e) Allan, C. J.; Cooper, B. F. T.; Cowley, H. J.; Rawson, J. M.; Macdonald, C. L. B. Chem. Eur. J. 2013, 19, 14470.

    10. [10]

      (a) Chakrabarti, A.; Konishi, H.; Yamaguchi, M.; Schneider, U.; Kobayashi, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 1838. (b) Huang, Y.-Y.; Chakrabarti, A.; Morita, N.; Schneider, U.; Kobayashi, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 11121. (c) Li, S.; Lv, J.; Luo, S. Org. Chem. Front. 2018, 5, 1787.

  • 图 1  手性铟(I)不对称催化简单烯烃参与的[4+2]环加成反应

    Figure 1  Chiral In(I)-catalyzed [4+2] cycloaddition of simple olefins

    图 2  可能过渡态

    Figure 2  Proposed transition-state models

    表 1  不同路易斯酸和手性磷酸1在苯乙烯2a和酮酸酯3a的不对称[4+2]环加成反应中的筛选a

    Table 1.  Screen of different Lewis acid and chiral phosphoric acid in the asymmetric [4+2] cycloaddition of β, γ-unsaturated α-keto ester 3a with styrene 2a

    Entryb LA CPA 1 Solvent Yieldc/% drd eee/%
    1 None 1a CH2Cl2 NR
    2 InBr3 1a CH2Cl2 NR
    3 Cu(OTf)2 1a CH2Cl2 Trace
    4 Ni(OTf)2 1a CH2Cl2 NR
    5 InCl None CH2Cl2 NR
    6 InCl 1a CH2Cl2 20 >95:5 92
    7 InI 1a CH2Cl2 20 >95:5 Rac
    8 InBArF 1a CH2Cl2 Trace
    9f InCl 1a CH2Cl2 25 >95:5 97
    10g InCl 1a CH2Cl2 20 >95:5 91
    11h InCl 1a CH2Cl2 NR
    12f, i InCl 1a CH2Cl2 85 >95:5 95
    13 f, i InCl 1b CH2Cl2 NR
    14 f, i InCl 1c CH2Cl2 20 >95:5 78
    15 f, i InCl 1d CH2Cl2 55 >95:5 68
    16 f, i InCl 1e CH2Cl2 NR
    17 f, i InCl 1a CHCl3 81 >95:5 99
    18 f, i InCl 1a PhCH3 60 >95:5 98
    19 f, i InCl 1a Et2O NR
    20 f, i InCl 1a THF NR
    21 f, i InCl 1a CH3CN NR
    a CPA=chiral phosphoric acid, LA=Lewis acid, Tf=trifluoro methanesulfonyl, BArF=[3, 5-(CF3)3C6H3]4B, NR=No reaction. b General conditions: 2a (0.50 mmol), 3a (0.10 mmol), 1a (5 mol%), InCl (5 mol%) and 3 MS (10 mg), at room temperature, in CH2Cl2 (0.5 mL) for 24 h. c Isolated product yield. d Diastereoselectivities (exo/endo) were determined by 1H NMR. e Enantioselectivities were determined by HPLC analysis; f 4 MS (10 mg). g 5 MS (10 mg). h 13X MS (10 mg). i 1a (10 mol%) and InCl (10 mol%).
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    表 2  苯乙烯类底物拓展

    Table 2.  Substrate scope of asymmetric [4+2] cycloaddition of styrenes

    Entrya Product Yieldb/% drc eed/%
    1 81 >95:5 99
    2 50 >95:5 98
    3 85 >95:5 99
    4 59 >95:5 94
    5 50 >95:5 97
    6 60 >95:5 95
    7 55 >95:5 97
    8 60 >95:5 96
    9 20 51:49 82 /Race
    10 80 >95:5 95
    11 70 >95:5 87
    12 50 >95:5 98
    13 50 >95:5 99
    a General conditions: 2 (0.50 mmol), 3 (0.10 mmol), 1a (10 mol%), InCl (10 mol%) and 4 MS (10 mg), at room temperature, in CHCl3 (0.5 mL) for 24 h. b Isolated product yield. c Diastereoselectivities (exo/endo) were determined by 1H NMR. d Enantioselectivities were determined by HPLC analysis. e Racemic endo-4i was obtained.
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    表 3  桥环类型烯烃底物拓展

    Table 3.  Substrate scope of asymmetric [4+2] cycloaddition of bridging olefins

    Entry a Product Yieldb/% drc eed/%
    1 90 >99:1 87
    2 95 >99:1 95
    3 85 >99:1 86
    4 80 >99:1 96
    5 80 >99:1 95
    6 80 >99:1 96
    7 80 >99:1 94
    8 80 >99:1 91
    9 84 >99:1 84
    10 82 >99:1 82
    11 93 >99:1 93
    a General conditions: 5 (0.50 mmol), 3 (0.10 mmol), 1a (10 mol%), InCl (10 mol%) and 4 MS (10 mg), at room temperature, in CHCl3 (0.5 mL) for 24 h. b Isolated product yield. c Diastereoselectivities (exo/endo) were determined by 1H NMR. d Enantioselectivities were determined by HPLC analysis.
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  • 发布日期:  2018-11-15
  • 收稿日期:  2018-06-08
  • 网络出版日期:  2018-11-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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