南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院謝勁教授課題組
過渡金屬催化烯烴的官能團(tuán)化已成為構(gòu)建化學(xué)鍵的高效策略. 由于未活化的烯烴反應(yīng)活性低, 且對C＝C鍵的區(qū)域選擇性控制通常較差,因此與活化烯烴相比, 未活化烯烴的精確官能團(tuán)化是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn). 從反應(yīng)機制上看, 原位形成的C(sp3)—M中間體往往傾向于進(jìn)行β-H消除, 并產(chǎn)生Heck型產(chǎn)物, 這為選擇性調(diào)控增加了難度. 近年, 一種新的配位輔助策略被應(yīng)用于過渡金屬催化的未活化烯烴氫芳化. 2010年, Lautens等[1]實現(xiàn)了Rh催化末端烯丙基砜/胺與芳基硼酸的氫芳化反應(yīng), 通過β-H消除/M—H遷移再插入機制得到線性氫芳化反應(yīng)產(chǎn)物(Scheme 1a). 2018年, Engle[2]和南開大學(xué)趙東兵課題組[3-4]分別報道了Pd和Ni催化未活化烯烴的氫芳化反應(yīng), 均需要利用雙齒AQ (8-氨基喹啉)導(dǎo)向基穩(wěn)定C(sp3)—M中間體(Scheme 1b). 因此, 發(fā)展新的催化系統(tǒng)以實現(xiàn)含有不同官能團(tuán)的未活化烯烴的精準(zhǔn)的氫芳化反應(yīng)仍具有重大合成價值.
圖式1 過渡金屬催化未活化烯烴與硼酸的氫芳化反應(yīng)
錳是一種地殼中含量豐富的過渡金屬, 具有較好的生物兼容性, 有望成為可持續(xù)化學(xué)領(lǐng)域中的新型過渡金屬催化劑. 2013年以來, 中國科學(xué)院化學(xué)研究所王從洋課題組[5]開創(chuàng)性發(fā)展了芳烴的碳?xì)滏I活化策略, 原位生成芳基錳中間體, 并成功應(yīng)用于炔烴的氫芳化反應(yīng)研究. 此外, 對活化烯烴的錳催化氫芳化反應(yīng)也于2015年被報道[6]. 然而芳基錳與未活化烯烴的反應(yīng)活性極低, 僅有一例, 2018年王從洋課題組[7]實現(xiàn)的未活化烯烴的氫芳化反應(yīng), 需要一個芳基酮來導(dǎo)向五元環(huán)錳的形成. 到目前為止, 還沒有實現(xiàn)錳催化未活化烯烴與芳基硼酸的氫芳化反應(yīng). 為此, 王從洋課題組[8]近期報道了第一例錳催化的未活化烯烴與芳基硼酸的高選擇性氫芳化反應(yīng). 該反應(yīng)適用于酰胺、亞胺、吡啶、氨基、羰基等官能團(tuán), 且相較于以往采用的銠、鈀、鎳催化劑有著極好的γ-/δ-區(qū)域選擇性.
王從洋課題組以內(nèi)烯烴1a和苯基硼酸為模板反應(yīng), 以95%產(chǎn)率制得了區(qū)域選擇性極好的γ-芳基取代產(chǎn)物3aa (Scheme 2). 對照實驗表明, 沒有錳催化的情況下沒有產(chǎn)物,而沒有堿的情況下產(chǎn)率將降低至23%.碳酸鉀作堿可以得到最優(yōu)產(chǎn)率,底物比例對產(chǎn)率沒有明顯影響. 一系列帶有鹵素、三氟甲基、酯基、氰基、硝基、酮基、醛基、氨基、羥基、酰胺基等官能團(tuán)的芳基硼酸都可以順利生成目標(biāo)產(chǎn)物, 為進(jìn)一步修飾提供了便利. 不僅如此, 鄰位和間位取代的芳基硼酸以及萘基和雜環(huán)硼酸都可以順利進(jìn)行氫芳化. 值得一提的是, 烯基硼酸也適用并能給出極好的區(qū)域和E/Z選擇性. 對烯烴底物的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),該反應(yīng)對一系列底物均有較好的適用性, 如酰胺上的N-取代和未取代的不同底物, 以及內(nèi)烯烴、末端烯烴或1,1-二取代烯烴都能順利進(jìn)行反應(yīng)(Scheme 3).
圖式2 酰胺導(dǎo)向內(nèi)烯烴的γ-氫芳化反應(yīng)中硼酸適用范圍
圖式3 酰胺基烯烴的γ-氫芳化反應(yīng)中烯烴取代基適用范圍
為了進(jìn)一步擴大該反應(yīng)的應(yīng)用范圍, 王從洋課題組還嘗試了在相同條件下以γ,δ-不飽和亞胺為底物進(jìn)行反應(yīng)(Scheme 4), 結(jié)果表明芳基上不同取代基均能得到很好的產(chǎn)率, 并在水解后得到δ-取代酮. 缺電子芳基硼酸需要更高的反應(yīng)溫度. 此外, 使用間位取代的芳基硼酸也有很好的產(chǎn)率.
圖式4 酰胺基烯烴的δ-氫芳化反應(yīng)適用的底物范圍
使用高烯丙基吡啶可以得到專一的δ-取代產(chǎn)物, 而有一個未保護(hù)的亞氨基的高烯丙基亞胺也可以順利生成高區(qū)域選擇性的產(chǎn)物, 這一點與使用Pd, Ni, Rh催化劑時不同.
作者提出了可能的反應(yīng)機理(Scheme5): 首先由MnBr(CO)5和芳基硼酸2[9-10]在堿的輔助下通過轉(zhuǎn)金屬化生成ArMn(CO)5, 接著失去CO配體, 與烯烴1配位形成Mn-II. 此時烯烴發(fā)生遷移插入反應(yīng)生成Mn-I, 這一步形成環(huán)的大小決定了區(qū)域選擇性. 接下來質(zhì)子化和進(jìn)一步的轉(zhuǎn)金屬化生成Mn-III, 該中間體與1進(jìn)行配體交換得到產(chǎn)物.
圖式5 推測的反應(yīng)機理
總之, 王從洋課題組發(fā)展了第一例錳催化未活化烯烴和芳基硼酸的高選擇性氫芳化反應(yīng), 無需引入雙齒AQ導(dǎo)向基便可實現(xiàn)區(qū)域可控. 該反應(yīng)用錳作為催化劑, 原料簡單易得, 具有廣泛的官能團(tuán)耐受性和優(yōu)良的區(qū)域選擇性控制等優(yōu)點, 展現(xiàn)出錳的獨特性與優(yōu)越性, 為不飽和烯烴的官能團(tuán)修飾提供了有效方法.
中國科學(xué)院化學(xué)研究所王從洋教授課題組
該文發(fā)表在Chin.J.Org.Chem.2020,40(11):3973-3975.
DOI:10.6023/cjoc202000075,
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