錳作為地殼中含量第三豐富的過渡金屬, 具有價格便宜, 毒性較低、生物兼容性較好等優(yōu)點[1]. 錳廣泛存在于各種生物酶中, 在有機合成中也有著重要的發(fā)展前景. 最近幾年, 錳(I)催化反應(yīng)研究獲得了越來越多的關(guān)注, 在惰性C(sp2)—H鍵活化[2]、極性不飽和鍵氫化[3]、醇脫氫偶聯(lián)[4]以及不飽和鍵硅氫化[5]等方面取得較大進展, 成為過渡金屬催化領(lǐng)域的新興研究方向之一.
中國科學(xué)院化學(xué)所王從洋教授課題組
盡管如此, 錳(I)催化中有機錳物種(C-Mn)的基本反應(yīng)性仍亟待探索. 例如, 相對于Pd、Rh等過渡金屬而言, 有機錳物種與烯烴底物遷移插入的基元步驟研究較少. 自1987年以來, Nicholson、Main和Woodgate等發(fā)現(xiàn)當量的錳雜五元環(huán)在Me3N＋O－或者Li2PdCl4的存在下可以實現(xiàn)對活化烯烴如α,β-不飽和酮/酯/腈的加成[6](Sche- me 1a). 2014年, 王從洋-陳輝課題組通過采用錳堿協(xié)同催化體系[MnBr(CO)5/Cy2NH]實現(xiàn)了錳催化的芳烴C—H鍵對α,β-不飽和酯/酮的氫化芳基化反應(yīng)[7a]; 隨后, 宋毛平-龔軍芳課題組報道了錳催化C—H鍵與馬來酰亞胺的氫化芳基化反應(yīng)[7b] (Scheme 1b). 相對于上述反應(yīng)中的螯合芳基錳物種, 非螯合的有機錳物種在加壓條件下與活化烯烴可能發(fā)生CO配體的遷移插入副反應(yīng)[8](Scheme 1a). 另一方面, 有機錳物種對活化烯烴的加成反應(yīng)往往集中于α,β-不飽和酮、酯和腈化合物, 烯烴底物的適用范圍仍需擴展.
最近, 在前期發(fā)展的錳催化芳基硼酸對1,3-二炔選擇性氫化芳基化反應(yīng)的基礎(chǔ)上[9], 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院謝勁課題組成功實現(xiàn)了錳催化芳/烯基硼酸對α,β-不飽和酰胺的氫化芳/烯基化反應(yīng)[10](Scheme 1c), 這是第一例錳催化烯基硼酸參與的C-C鍵構(gòu)建反應(yīng).
圖式1 錳參與的烯烴氫化官能團化反應(yīng)
為了理解芳基錳(I)中間體的反應(yīng)活性, 作者通過密度泛函理論(DFT)計算對比了一系列Ph-M物種的Δf值, 結(jié)果顯示Ph-PdIICl的Δf值為正值而相應(yīng)的Ph-RhIIICl2和Ph-MnI(CO)5為負值(圖1). 作者推斷Ph-MnI(CO)5的反應(yīng)性和Ph-RhIIICl2較為相似, 缺電子的烯烴可以滿足其碳錳化過程中對電性的要求. 因此, 作者研究了芳基硼酸對α,β-不飽和酰胺在羰基錳(I)催化下的氫化芳基化反應(yīng)(Scheme 2), 實驗結(jié)果證實了他們的推測. 錳催化劑前體Mn2(CO)8Br2比MnBr(CO)5更有效地提高了反應(yīng)的產(chǎn)率, 推測原因可能為: 相對于MnBr(CO)5中的CO配體解離, Mn2(CO)8Br2在該反應(yīng)條件下比較容易分解成單核的活性錳催化物種(見后面機理部分).
圖1 不同Ph-M物種反應(yīng)性的DFT計算結(jié)果
圖式2 錳催化α,β-不飽和酰胺氫化芳基化反應(yīng)的底物范圍
作者進一步研究了錳催化烯基硼酸對α,β-不飽和酰胺的氫化烯基化反應(yīng). 實驗發(fā)現(xiàn), 當用K2CO3代替氫化芳基化反應(yīng)條件中的CsF時該反應(yīng)可以以優(yōu)異的產(chǎn)率得到預(yù)期的氫化烯基化產(chǎn)物. 在此最優(yōu)的反應(yīng)條件下, 作者探索了該反應(yīng)的底物適用范圍(Scheme 3). 結(jié)果表明, 該反應(yīng)對于α,β-不飽和酰胺和烯基硼酸都具有優(yōu)異的官能團兼容性. N-芳基或者烷基取代的伯/仲/叔不飽和酰胺以及含復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不飽和酰胺都可以很好的參與反應(yīng). α,β-不飽和酰胺和烯基硼酸中的烯烴雙鍵部分可以容忍不同類型的取代模式, 并均能以中等到優(yōu)秀的產(chǎn)率生成相應(yīng)的氫化烯基化產(chǎn)物. 值得注意的是, α,β-不飽和羧酸和腈在該反應(yīng)條件下只能得到少量的氫化烯基化產(chǎn)物, 說明酰胺基團不只是活化了烯烴底物還可能在反應(yīng)中發(fā)揮了其他重要作用. 另外, 該反應(yīng)生成的β-烯基化酰胺產(chǎn)物可在一定條件下轉(zhuǎn)化為五元環(huán)或者六元環(huán)的內(nèi)酰胺化合物.
圖式3 錳催化α,β-不飽和酰胺氫化烯基化反應(yīng)的底物范圍
作者提出的可能反應(yīng)機制如Scheme 4所示. 雙核錳催化劑前體Mn2(CO)8Br2首先裂解為單核的16電子錳物種Mn-1, 其中的陰離子配體X未定. Mn-1與芳基硼酸在堿的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)金屬[9,11]生成芳基錳中間體Mn-2. α,β-不飽和酰胺與Mn-2配位并在酰胺基團的輔助下插入Ar—Mn鍵生成中間體Mn-4, 隨后其發(fā)生 C—Mn鍵的質(zhì)子化脫去產(chǎn)物3同時再生Mn-1進入下一輪錳催化循環(huán). 另外, 自由基機制目前尚無法完全排除.
圖式4 推測的反應(yīng)機理
總之, 謝勁課題組發(fā)展了首例錳催化的芳/烯基硼酸對α,β-不飽和酰胺的氫化芳/烯基化反應(yīng), 成功合成了一系列β-芳/烯基酰胺產(chǎn)物. 該反應(yīng)具有原料易得、官能團兼容性好及操作簡便等優(yōu)點, 這是首次利用烯基硼酸實現(xiàn)錳催化C—C鍵的構(gòu)建反應(yīng).
南京大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院謝勁教授課題組
該文發(fā)表在Chin.J.Org.Chem.2020,40(8):2585-2587.
DOI:10.6023/cjoc202000047,
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