中國科學技術大學汪義豐課題組和北京大學余志祥課題組合作，利用氮雜卡賓-硼自由基的獨特反應性能，實現(xiàn)了一類新型的自由基催化環(huán)化異構化反應，為喹啉酮類化合物的合成提供了全新的策略。通過機理研究，證實了該轉化歷經(jīng)了一個罕見的碳-碳三鍵重組的過程。
自由基催化是有機催化領域的重要組成部分。由于自由基物種具有獨特的反應活性，利用自由基作為催化劑有可能實現(xiàn)其他方法難以實現(xiàn)的轉化。然而，自由基催化領域在過去幾十年內的發(fā)展卻十分有限，其主要原因在于，大多數(shù)自由基反應活性較高，很難構建高效的催化循環(huán)。迄今，自由基催化較為成功的實例是硫自由基或錫自由基催化的乙烯基環(huán)丙烷和烯烴的成環(huán)反應（J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 3300. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 5135. 圖1a）。2014年，京都大學Maruoka教授利用手性硫醇做為催化劑前體，實現(xiàn)了不對稱的自由基催化反應（Nat. Chem. 2014, 6, 702.）。最近，華中師范大學肖文精和陳加榮課題組報道了一例新型的氮自由基催化的烯烴雙官能團化反應（Chem. Eur. J. 2019, 25, 8024. 圖1a）。
圖1
汪義豐課題組近年來一直從事有機硼自由基化學方面的研究。在探索N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺的自由基硼化反應過程中，他們沒有發(fā)現(xiàn)目標硼化產物，卻意外分離得到了重排產物喹啉酮類化合物。進一步和余志祥教授合作，通過控制實驗證明，該反應是由氮雜卡賓-硼自由基催化進行的。值得指出的是，在該反應過程中，發(fā)生了罕見的骨架重排，其中包含多個化學鍵的斷裂和重組（圖1b）。
圖2
通過條件篩選，作者確立了以氮雜卡賓-硼烷為硼自由基前體，1,1'-偶氮(氰基環(huán)己烷)（ACCN）為自由基引發(fā)劑的最優(yōu)條件（圖2）。隨后，作者對反應的適用范圍進行了研究。N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺中兩個芳環(huán)上可以引入多種取代基，將N上面的烷基調整為烯丙基、炔丙基時，反應產率有所下降，N-H酰胺1w以及酯類底物1x在該反應條件下不能生產目標產物。
圖3
為了弄清骨架重排的具體歷程，作者開展了13C標記實驗。結果顯示碳?碳三鍵在反應過程中發(fā)生了重組（圖 3a）。基于該實驗結果，作者提出了合理的反應路徑(圖 3b)：氮雜卡賓?硼自由基加成到端炔的碳原子上產生烯基自由基中間體I，I與苯甲?；糠职l(fā)生環(huán)化以及碳?碳鍵斷裂來實現(xiàn)第一次芳基遷移，生成的酰基自由基Ⅲ與烯基部分反應分子內5-exo-trig環(huán)化得到α-硼烷基自由基中間體Ⅳ。中間體Ⅳ進一步發(fā)生第二次芳基遷移得到穩(wěn)定的自由基中間體Ⅵ，在這一步中，底物中炔基的兩個碳原子改變了排列順序，重組生成了新的化學鍵。最終，中間體Ⅵ通過β-斷裂生成產物并釋放出氮雜卡賓?硼自由基來完成催化循環(huán)。作者通過密度泛函理論計算驗證了上述反應機理的合理性，并揭示了反應的熱力學特征。
這是一例利用氮雜卡賓?硼自由基作為催化劑的新型N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺的環(huán)化異構化反應。該反應拓展了硼自由基的反應性能，驗證了硼自由基在自由基催化領域的應用潛力，同時豐富了自由基催化反應類型。此項研究得到了國家自然科學基金、南開大學元素有機化學國家重點實驗室開放基金以及中國科學技術大學的資助。該工作以Research Article的形式發(fā)表在CCS Chemistry 2019年第五期。
文章詳情：
NHC-Boryl Radical Catalysis for Cycloisomerization With C–C Triple Bond Reorganization
Ai-Qing Xu , Feng-Lian Zhang , Tian Ye , Zhi-Xiang Yu & Yi-Feng Wang
DOI: 10.31635/ccschem.019.20190025
Cite this: CCS Chem. 2019, 1, 504–512
