華東師范大學(xué)姜雪峰教授課題組JACS：Rh(I)催化全取代苯炔前體的合成（涉及卡賓遷移/羰基化/環(huán)化）
本文作者：杉杉 導(dǎo)讀 近日，華東師范大學(xué)姜雪峰課題組在J. Am. Chem. Soc.發(fā)表論文，報道了Rh(I)催化卡賓（carbenoid）的串聯(lián)反應(yīng)，然后進行羰基化環(huán)化反應(yīng)，合成多種鄰甲硅烷基取代的酚類化合物（phenolics），再通過氟磺化反應(yīng)（fluorosulfurylation）即可獲得全取代芳炔前體。值得注意的是，炔烴末端的甲硅烷基不僅可抑制不希望的氧化，而且還可以控制CO插入的選擇性。此外，該方法作為直接構(gòu)建全取代芳炔的有效途徑，并可用于多環(huán)芳烴分子的構(gòu)建。 Rh(I)-Catalyzed Carbene Migration/Carbonylation/Cyclization: Straightforward Construction of Fully Substituted Aryne Precursors Guohao Zhu, Wen-Chao Gao, Xuefeng Jiang* J. Am. Chem. Soc.ASAP DOI:10.1021/jacs.0c13012 正文 長期以來，芳炔（Arynes）由于具有出色的反應(yīng)活性而作為構(gòu)建功能性芳烴（arenes）的強大底物。自1953年Robert等[1]利用苯炔（benzyne）三鍵性質(zhì)以來，已報道多種苯炔，如萘基炔、吡啶炔和吲哚炔，用于合成功能材料分子和天然產(chǎn)物。同時，含有全取代芳環(huán)骨架的三亞苯基（Triphenylenes），六苯并三亞苯基（hexabenzotriphenylenes）和紅熒烯（rubrenes）可分別由苯炔，9,10-菲基炔和萘基炔構(gòu)建。此外，苯炔也可有效地用于多環(huán)天然產(chǎn)物的合成，如通過吡啶炔的環(huán)加成反應(yīng)獲得玫瑰樹堿（Ellipticine），由苯炔的串聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建dictyodendrin A的全取代芳烴體系（Scheme 1A）。 早期對于獲得芳炔的方法，主要依賴于在堿性條件下芳基鹵化物的脫鹵化氫（dehydrohalogenatio）作用。隨后，Kobayashi等[2]開發(fā)了一種簡便合成芳炔的方法，即通過氟化物誘導(dǎo)2-（三甲基甲硅烷基）苯基三氟甲磺酸酯的1,2-消除，從鄰鹵代苯酚中獲得芳炔，然后引入一種甲硅烷基取代基和離去基團（Scheme 1B）。最近，Hoye等[3]通過三炔的六脫氫-Diels-Alder（HDDA）工藝開發(fā)了一種創(chuàng)新的多環(huán)芳烴合成策略。 基于本課題組對過渡金屬催化芳炔羰基環(huán)化反應(yīng)研究 [4]，作者設(shè)想是否可以通過卡賓遷移，CO插入和6π電環(huán)化的串聯(lián)過程，從炔基-炔胺（yne-ynamides）中直接合成全取代的芳炔前體（Scheme 1C）。然而，兩種卡賓之間的氧化競爭性和一氧化碳的插入順序作為反應(yīng)關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)。由于硅取代基的空間效應(yīng)和超共軛效應(yīng)，作者設(shè)計了一種含有甲硅烷基的炔基-炔胺，以抑制不希望的氧化和CO插入的選擇性，同時促進了芳炔前體。 首先，作者以二炔1作為模型底物，對末端炔烴上的取代基和N-O氧化物進行了篩選（Table 1）。反應(yīng)結(jié)果表明，反應(yīng)受硅取代基的空間位阻以及吡啶-N-氧化物的2-位的空間和電子效應(yīng)影響，當(dāng)使用末端炔烴取代基為TBS的二炔底物，以Rh(COD)Cl2為催化劑，N-O-4為親核試劑，可在60°C的THF溶劑中反應(yīng)，獲得82％收率的目標(biāo)產(chǎn)物P1。 在獲得上述最佳反應(yīng)條件之后，作者對二炔的底物（可通過銅催化炔基溴化物的酰胺化反應(yīng)制備[5]）范圍進行了擴展（Table 2）。首先，具有不同N-取代的磺酰基（如Ts、Ms、Bs），以76-83％的收率獲得所需的酚類產(chǎn)物2a–2c。同時，克級實驗，成功以83％的收率（1.06 g，2.5 mmol）得到2a。接下來，芳環(huán)上具有給電子和吸電子基時，均以高收率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2d–2i。含有各種官能團（如酯（2j），酰胺（2k）和乙?；?/span>2l））的底物，均具有良好的耐受性。此外，芳環(huán)上含有3,4-二取代和雜環(huán)取代的二炔底物，均能順利進行反應(yīng)，獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2m–2q。值得注意的是，該方法可有效合成咔唑類生物堿骨架（2r和2s），并可對氨基酸、薄荷醇和雌酮進行相關(guān)的后期修飾（2t–2v）。 多環(huán)芳烴分子（PAMs）由于其在材料科學(xué)中的獨特光電特性而備受關(guān)注。作者通過在乙腈溶劑中加入F–源，可使芳炔前體3a與各種二烯（如呋喃，1,3-二苯基異苯并呋喃和四環(huán)酮）的環(huán)加成反應(yīng)順利進行，得到相應(yīng)的多環(huán)芳烴產(chǎn)物4a–4c，收率為78-92%（Table 3）。此外，各種全取代的芳烴前體與1,3-二苯基異苯并呋喃均能進行環(huán)加成反應(yīng)。芳香環(huán)上的富電子和缺電子官能團均具有良好的耐受性，以85-92％的收率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物4d–4f，其中溴取代的分子可進一步進行相關(guān)的偶聯(lián)反應(yīng)。同時，噻吩取代的底物，也以69％的收率獲得環(huán)加成產(chǎn)物4g。令人興奮的是，這些多環(huán)芳烴分子在溶液中表現(xiàn)出強烈的熒光，顯示了在有機光電材料中的潛在應(yīng)用。 為了進一步了解羰基化環(huán)化過程，作者對機理進行了研究（Scheme 2）。首先，除TBS取代基外，其他取代基也可引入在炔烴的末端上，如帶有甲基和苯基的底物，分別形成28％和57％收率的氧化副產(chǎn)物SP-2。空間位阻的增加（R = tBu）可以防止副產(chǎn)物SP-2的生成，但不利于CO的插入。這些實驗表明，不僅空間位阻，并且炔烴末端的電子效應(yīng)在串聯(lián)過程中也起著至關(guān)重要的作用（Scheme 2a）。接下來，為了在轉(zhuǎn)化過程中捕獲可能的乙烯酮中間體，作者將1i于標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng)，并加入10當(dāng)量的甲醇，分別獲得38％收率的甲酯5i，26％收率的去甲硅烷基化應(yīng)物6i以及微量的目標(biāo)產(chǎn)物2i。同時，7a在標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng)，僅獲得61％收率的二酮產(chǎn)物8a，這表明第一步中的Rh卡賓不適合插入CO（Scheme 2b）。 根據(jù)上述的實驗，作者提出了一種可能的反應(yīng)機理（Scheme 3）。首先，催化劑Rh(I) 優(yōu)先與富電子三鍵配位，然后受到N-氧化物的親核進攻，獲得Rh(I)卡賓中間體B（底物與吡啶N-氧化物之間的空間和電子效應(yīng)可完全抑制生成氧化副產(chǎn)物B’）。緊接著，卡賓中間體B從芐基位遷移至甲硅烷基的α-位，得到中間體C（甲硅烷基的空間位阻效應(yīng)可防止C到二酮C’的二次氧化），經(jīng)CO配位和插入，得到乙烯酮中間體E，同時解離和再生Rh(I)催化劑。隨后，E的6π電環(huán)化得到中間體F，經(jīng)1,5-H遷移，得到環(huán)己二烯酮G。最后，芳構(gòu)化經(jīng)歷兩種可能途徑：通過1,3-H遷移得到動力學(xué)目標(biāo)產(chǎn)物（path A），而在較高溫度下發(fā)生1,3-Si遷移得到熱力學(xué)穩(wěn)定的副產(chǎn)物I（path B）。 總結(jié) 華東師范大學(xué)姜雪峰課題組報道了一種Rh(I)催化的卡賓遷移/羰基化/環(huán)化串聯(lián)反應(yīng)，可輕松構(gòu)建全取代芳炔化合物，并在有機光電材料合成中具有巨大的潛力。此外，在該串聯(lián)過程中，炔烴上的甲硅烷基的空間和超共軛效應(yīng)對于通過防止卡賓中間體的氧化來控制選擇性CO的插入至關(guān)重要。 參考文獻 [1] (a) Roberts, J. D.; Simmons, H. E., Jr.; Carlsmith, L. A.; Vaughan, C. W. Rearrangement in the Reaction of Chlorobenzene-1-C14 with Potassium Amide. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 3290?3291. (b) Tadross, P. M.; Stoltz, B. M. A. Comprehensive History of Arynes in Natural Product Total Synthesis. Chem. Rev. 2012, 112, 3550?3577. (c) Goetz, A. E.; Garg, N. K. Enabling the Use of Heterocyclic Arynes in Chemical Synthesis. J. Org. Chem. 2014, 79, 846?851. (d) Goetz, A. E.; Shah, T. K.; Garg, N. K. Pyridynes and Indolynes as Building Blocks for Functionalized Heterocycles and Natural Products. Chem. Commun. 2015, 51, 34?45. (e) Corsello, M. A.; Kim, J.; Garg, N. K. Total Synthesis of (?)-Tubingensin B Enabled by the Strategic use of An Aryne Cyclization. Nat. Chem. 2017, 9, 944?949. (f) Takikawa, H.; Nishii, A.; Sakai, T.; Suzuki, K. Aryne-based Strategy in the Total Synthesis of Naturally Occurring Polycyclic Compounds. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 8030?8056. [2] Himeshima, Y.; Sonoda, T.; Kobayashi, H. Fluoride-induced 1,2-Elimination of O-trimethylsilylphenyl Triflate to Benzyne Under Mild Conditions. Chem. Lett. 1983, 12, 1211?1214. [3] (a) Bradley, A. Z.; Johnson, R. P. Thermolysis of 1,3,8-Nonatriyne: Evidence for Intramolecular [2+4] Cycloaromatization to A Benzyne Intermediate. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 9917?9918. (b) Miyawaki, K.; Suzuki, R.; Kawano, T.; Ueda, I. Cycloaromatization of a Non-conjugated Polyenyne System: Synthesis of 5H-Benzo[d]fluoreno[3,2-b]pyrans via Diradicals Generated from 1- [2-{4-(2-Alkoxymethylphenyl)butan-1,3-diynyl}]phenylpentan-2,4-diyn-1-ols and Trapping evidence for the 1,2-Didehydrobenzene Diradical. Tetrahedron Lett. 1997, 38, 3943?3946. (c) Hoye, T. R.; Baire, B.; Niu, D.; Willoughby, P. H.; Woods, B. P. The Hexadehydro-Diels-Alder Reaction. Nature 2012, 490, 208?212. (d) Yun, S. Y.; Wang, K.-P.; Lee, N.-K.; Mamidipalli, P.; Lee, D. Alkane C-H Insertion by Aryne Intermediates with a Silver Catalyst. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4668?4671. (e) Diamond, O. J.; Marder, T. B. Methodology and Applications of the Hexadehydro-Diels-Alder (HDDA) Reaction. Org. Chem. Front. 2017, 4, 891?910. [4] (a) Feng, M.; Tang, B.; Wang, N.; Xu, H. X.; Jiang, X. Ligand Controlled Regiodivergent C1 Insertion on Arynes for Construction of Phenanthridinone and Acridone Alkaloids. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14960?14964. (b) Ding, D.; Mou, T.; Feng, M.; Jiang, X. Utility of Ligand Effect in Homogenous Gold Catalysis: Enabling Regiodivergent π-Bond-Activated Cyclization. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5218?5221. (c) Ding, D.; Zhu, G.; Jiang, X. Ligand-Controlled Palladium(II)-Catalyzed Regiodivergent Carbonylation of Alkynes: Syntheses of Indolo[3,2-c]coumarins and Benzofuro[3,2-c]-quinolinones. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 9028?9032. [5] Zhang, Y.; Hsung, R. P.; Tracey, M. R.; Kurtz, K. C. M.; Vera, E. L. Copper Sulfate-Pentahydrate-1,10-Phenanthroline Catalyzed Amidations of Alkynyl Bromides. Synthesis of Heteroaromatic Amine Substituted Ynamides. Org. Lett. 2004, 6, 1151?1154.
