摘要: 本文報(bào)告了C-O鍵的催化還原和帶有X型PAlP鉗位配體的銠絡(luò)合物的硼化反應(yīng)。我們已經(jīng)基于反應(yīng)中間體和氘標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的表征揭示了反應(yīng)機(jī)理。值得注意的是，這種新型催化體系顯示出與傳統(tǒng)鎳基催化劑不同的空間位阻依賴性化學(xué)選擇性，并提出了通過(guò)異雙金屬催化選擇性C-O鍵活化的新策略。
苯酚和芳基醚部分是木質(zhì)素和其他相關(guān)生物質(zhì)等自然資源中普遍存在的結(jié)構(gòu)基序(圖1)，通過(guò)C(sp2)–O鍵活化使其功能化將使其成為有吸引力的化學(xué)原料。在這種情況下，各種C(sp2)–O鍵的轉(zhuǎn)化已被開發(fā)。其中，芳基甲醚中本質(zhì)上反應(yīng)性較低的C(sp2)–OMe鍵的功能化尤其具有吸引力，芳基甲醚廣泛存在于木質(zhì)素等多種產(chǎn)品中。此外，控制C–O鍵斷裂過(guò)程中的化學(xué)選擇性對(duì)于從含有多個(gè)C–O鍵的化合物開始獲得各種芳香族產(chǎn)品至關(guān)重要。
自Wenkert的開創(chuàng)性工作以來(lái)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了C(sp2)-OMe鍵的各種轉(zhuǎn)變，如脫氧氫化、硼酰化、Suzuki–Miyaura型交叉偶聯(lián)和Kumada–Tamao–Corriu型交叉偶聯(lián)，其中大部分是由鎳催化劑促進(jìn)的(方案1a)。然而，由于熱力學(xué)穩(wěn)定的C(sp2)–OMe鍵反應(yīng)性差，與親核試劑如H2、氫硅烷或二硼烷的反應(yīng)通常受到底物范圍的限制；例如，單環(huán)苯甲醚衍生物，特別是富含電子的衍生物，反應(yīng)較差?？朔@一限制通常需要苛刻的反應(yīng)條件和/或更多親核試劑，如iPr2NBH2。此外，C-OMe鍵的化學(xué)選擇性激活仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。Hartwig報(bào)告了一項(xiàng)開創(chuàng)性的研究，其中通過(guò)木質(zhì)素模型的氫解來(lái)評(píng)估芳基和芐基醚中C–O鍵的相對(duì)反應(yīng)性。然而，表現(xiàn)出不同于這種方法的選擇性的例子仍然難以捉摸。在這方面，開發(fā)一種用于化學(xué)選擇性切割C–OMe鍵的差異策略是非常需要的。
為了解決上述與C–O鍵功能化相關(guān)的挑戰(zhàn)，我們?cè)O(shè)想使用帶有X型鋁酰配體的Rh絡(luò)合物，這是我們小組最近開發(fā)的。對(duì)先前報(bào)道的Ar–F鍵氧化鎂的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，這些Rh–Al絡(luò)合物對(duì)Ar–F鍵的活化可能通過(guò)Lewis堿性F原子與Lewis酸性鋁中心的配位以協(xié)同方式進(jìn)行。我們認(rèn)為C(sp2)–OMe鍵也可以與Al中心配位，從而使非活性C(sp2)–OMe鍵斷裂。此外，Rh-Al催化的C(sp2)-OMe官能化的位置選擇性可以基于反應(yīng)速率來(lái)控制，反應(yīng)速率取決于O原子的相對(duì)配位能力，該配位能力由空間位阻調(diào)節(jié)，除了電子特征之外，最終實(shí)現(xiàn)不同于傳統(tǒng)鎳基催化劑的化學(xué)選擇性方法(方案1b)。
本文報(bào)道了Rh配合物與X型PAlP-pincer配體催化的各種苯甲醚衍生物C-O鍵的還原和硼?；磻?yīng)。我們證明了Rh-Al催化劑只激活空間上不太密集的C-O鍵，從而在C(sp2)-OMe鍵的功能化過(guò)程中產(chǎn)生了前所未有的化學(xué)選擇性。
我們首先研究了4-甲氧基聯(lián)苯(1a)與氫硅烷的還原反應(yīng)，使用4作為催化劑(方案2)。通過(guò)對(duì)反應(yīng)條件的優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)在80-120℃進(jìn)行得很順利°C)當(dāng)使用氫硅烷2a時(shí)，以良好產(chǎn)率得到聯(lián)苯(3a)。然后我們研究了底物范圍。3-甲氧基聯(lián)苯(1b)也以良好的產(chǎn)率提供聯(lián)苯，而2-甲氧基聯(lián)苯(1c)僅以較低的產(chǎn)率提供產(chǎn)物，即使在150°C。這些結(jié)果表明，C(sp2)–O鍵附近的大量取代基會(huì)阻礙Rh–Al催化劑的使用，導(dǎo)致反應(yīng)效率低下。4-丁氧基聯(lián)苯(1d)也參與還原反應(yīng)，以87%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物。缺電子4-(2-吡啶基)-苯甲醚(1e)也適用于還原反應(yīng)。本文指出，在鎳催化條件下反應(yīng)性較低的富電子單環(huán)茴香醚衍生物1f和1g的還原裂解反應(yīng)良好，能較好地提供相應(yīng)的產(chǎn)物。人們可以想象，甲氧基更高的路易斯堿度可以提高反應(yīng)性，因?yàn)樗?/span>C–O活化步驟(見下文)與鋁中心的配位合理，但這不太可能，根據(jù)一項(xiàng)有利于1e反應(yīng)而非1g反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)(詳情見SI)。不同的官能團(tuán)如冰片基、硅基、氨基和TBS保護(hù)的羥基在1h-1k內(nèi)與這些反應(yīng)條件相容。還原還可以應(yīng)用于萘和吡啶底物1l和1m的C(sp2)–OMe鍵，得到產(chǎn)率較高的相應(yīng)產(chǎn)物。烯基甲醚1n以67%的產(chǎn)率提供環(huán)辛烯，特別是沒(méi)有烯烴部分的硅氫加成。
為了進(jìn)一步擴(kuò)大這種雜雙金屬催化劑在C(sp2)–O鍵功能化中的應(yīng)用，我們研究了苯甲醚衍生物與B2pin2(4,4,4′，4′，5,5,5′，5′-八甲基-2,2′-雙-1,3,2-二氧硼雜環(huán)戊烷)的硼?；磻?yīng)，得到硼酰化芳烴，可轉(zhuǎn)化為多種有價(jià)值的取代芳烴(方案3)。在3,3-二甲基-1-烯作為HB(pin)的清除劑的條件下，4-甲氧基聯(lián)苯經(jīng)硼氫化反應(yīng)生成硼?；a(chǎn)物6a，產(chǎn)率為95%。缺電子吡啶基底物也適用于該反應(yīng)。此外，在先前報(bào)道的C–O硼?；磻?yīng)中，富含電子的4-嗎啉甲硝唑作為一種較差的底物，以74%的產(chǎn)率得到6c。這里應(yīng)該注意的是，2-(2,4-二甲氧基苯基)吡啶的硼酰化以化學(xué)選擇性的方式覆蓋2-吡啶基導(dǎo)向基團(tuán)以僅產(chǎn)生C4硼?；a(chǎn)物6d。下面將更詳細(xì)地討論與當(dāng)前銠鋁催化相關(guān)的化學(xué)選擇性。
基于我們先前對(duì)C–F鍵氧化鎂化的理論計(jì)算，C–O鍵還原的合理催化循環(huán)如圖4所示。苯甲醚與Rh原子的配位ηOMe部分與鋁中心相互作用前的2-部分。銠原子和鋁原子協(xié)同激活C–O鍵，生成AlIII(μ-OMe)RhIPh中間體8。然后8與氫硅烷反應(yīng)得到芳烴和MeO–SiMe(OSiMe3)2以完成催化循環(huán)。
為了進(jìn)一步了解反應(yīng)機(jī)理，我們?cè)噲D確定任何潛在的反應(yīng)中間體。為此，我們研究了Z型PAlP–Rh絡(luò)合物9在KC8存在下與苯甲醚的反應(yīng)(方案5a)，該絡(luò)合物作為4，(57)的合成前體。反應(yīng)得到配合物8，并用NMR和X射線衍射對(duì)其進(jìn)行了表征。當(dāng)4與苯甲醚反應(yīng)時(shí)，在HSiMe(OSiMe3)2存在下也觀察到8。8的晶體結(jié)構(gòu)表明，AlIII含有OMe部分，與RhI(Al–O 1.7452(17))配位?; 右側(cè)-O 2.3501(17)?), RhI中心也有Ph群。室溫下C–O鍵的激活與鎳配合物所需的條件形成鮮明對(duì)比?56)在應(yīng)用的催化反應(yīng)條件下，8作為催化劑使C–O鍵還原1a得到90%產(chǎn)率的3a，這與使用4作為催化劑得到的結(jié)果相當(dāng)。還檢測(cè)到來(lái)自8和氫硅烷的苯(方案5b)。我們進(jìn)一步證實(shí)了在室溫下用2b-d1在四氫呋喃中處理后從8形成苯-d1(方案5c)，而通過(guò)31P NMR光譜觀察到的可能的反應(yīng)中間體由于其不穩(wěn)定性而不能表征。此外，在催化反應(yīng)條件下，反應(yīng)混合物的31P-NMR譜支持了8的存在，同時(shí)也檢測(cè)到了其他許多物種。因此，可以斷定8是該反應(yīng)的中間體。
為了揭示芳烴產(chǎn)品中氫化物的來(lái)源，我們進(jìn)行了氘標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。鎳催化還原C–O鍵的相關(guān)機(jī)理研究提出了兩種可能的氫化物來(lái)源，即OMe部分通過(guò)氧化生成的氫化物β-氫化物消除，或直接由氫硅烷生成的氫化物。如方案6a所示，當(dāng)使用1a-d3時(shí)，在由此獲得的3a的任何位置均未觀察到氘摻入。相反，1g與DSiMePh2的反應(yīng)提供氘化芳烴3g-d1，盡管氘的摻入量很低(48%D)(方案6b)。低氘比可能歸因于DSiMePh2的分子內(nèi)氘加擾和苯的分子間氘加擾。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出氫化物很可能來(lái)自氫硅烷的結(jié)論似乎是可行的，而β-在這個(gè)系統(tǒng)中，可以排除從MeO基團(tuán)中釋放氫化物的氫化物消除。
實(shí)驗(yàn)支持的機(jī)制，特別是C-O鍵的協(xié)同活化，促使我們證明了一個(gè)由空間效應(yīng)控制的位選擇性C-O鍵活化。我們期望我們的Rh-Al催化劑能夠在空間阻的基礎(chǔ)上區(qū)分烷氧基，因?yàn)槲覀兊姆磻?yīng)的關(guān)鍵步驟可能伴隨著底物中的O原子在C-O鍵活化之前與Al中心的配位?；谶@一工作假設(shè)，我們研究了具有多個(gè)C-O鍵的基底的反應(yīng)性(方案7)。為了比較站點(diǎn)選擇性，還將鎳催化條件作為控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢查(詳細(xì)信息請(qǐng)參閱SI)。當(dāng)使用2-(2,4-二甲氧基苯基)吡啶(1o)，其中2-吡啶基可能作為典型的導(dǎo)向基團(tuán)時(shí)，Rh–Al絡(luò)合物4會(huì)替代2-吡啶基方向，并優(yōu)先減少阻礙較小的C(4)-OMe鍵，如Borgylization(方案3)所預(yù)期的那樣；相反，在鎳催化條件下，還原優(yōu)先發(fā)生在C(2)–OMe鍵(式1)。在C(2)–O鍵附近的2-吡啶基與配體中的PiP2基團(tuán)之間的空間排斥可能會(huì)阻礙2-MeO配位朝向Al中心，從而有利于C(4)–O鍵的活化(方案7a)。在1p的o位甲基也觀察到類似的空間效應(yīng)，以96%的產(chǎn)率獲得3pa；相反，在Ni催化條件下，選擇性和反應(yīng)性較低(式2)。芐基聯(lián)苯醚(1q)的還原僅在Ar-O鍵上進(jìn)行，產(chǎn)率為91%，而在Ni催化條件下，Bn-O鍵優(yōu)先活化，以優(yōu)異的產(chǎn)率生成4-苯基苯酚(式3)。相對(duì)配體Me基團(tuán)的空間阻阻，Rh-Al配合物激活Ar-O鍵的明顯位點(diǎn)選擇性可以合理化，而對(duì)于Ar-O活化，這比雙金屬中心Bn–O活化小(方案7b)。以類似的方式，4通過(guò)C-OMe鍵的獨(dú)家激活，容易區(qū)分1r中的OMe和OBu組，以提供3ra，而Ni系統(tǒng)提供了3ra和3rb的幾乎1:1混合物(式4)。3ra產(chǎn)率較低的原因是1r在甲苯中的溶解度較低，而延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間可以提高3ra的產(chǎn)率，同時(shí)得到了較高的3rc。這些結(jié)果清楚地表明，通過(guò)基底中氧原子的合理配位，雜雙金屬Rh-Al體系協(xié)同活化C-O鍵，具有與傳統(tǒng)Ni催化體系基本不同的選擇性。
總之，本文開發(fā)了一種利用帶有X型鋁酰配體的Rh絡(luò)合物進(jìn)行C(sp2)–O鍵的協(xié)同還原和硼
