今天給大家分享一篇近期發(fā)表在JACS上的研究進展，題為：Enantioselective Aryl-Iodide-Catalyzed Wagner?Meerwein Rearrangements。該工作的通訊作者是來自哈佛大學(xué)的Eric N. Jacobsen教授。
碳正離子是一種具有高反應(yīng)活性的中間體。碳正離子產(chǎn)生后，σ鍵的遷移可以產(chǎn)生新的有價值的碳骨架。然而，因為碳正離子引發(fā)σ遷移的能壘普遍較低，控制這一過程的選擇性具有內(nèi)在原理上的挑戰(zhàn)。到目前為止，成功控制產(chǎn)物立體化學(xué)的方法往往不直接在反應(yīng)位點產(chǎn)生碳正離子本身，而是通過設(shè)計一種帶有離去基團的親電物種來替代碳正離子，這一物種可以保證取代反應(yīng)的立體專一（圖1）。例如，semipinacol反應(yīng)便是使用和雙鍵底物等當量的過渡金屬絡(luò)合物或者鹵鎓離子，與雙鍵立體選擇性結(jié)合產(chǎn)生瞬態(tài)的親電物種，隨后鄰位含羥基碳原子上的σ鍵（C-C或C-H）立體選擇性地遷移，達到控制選擇性的目的（圖2）。
圖1. 帶有陽離子特征的立體專一性重排
圖2. semipinacol反應(yīng)
本文作者發(fā)展了一種基于手性芳基碘催化劑的對映選擇性1,3-二氟化反應(yīng)策略。該策略選取β-cumyl苯乙烯作為底物，手性芳基碘1作為催化劑，pyr·9HF作為氟離子來源，通過mCPBA將碘催化劑氧化為碘鎓離子ArIF+，該物種和底物結(jié)合活化雙鍵，引發(fā)鄰位σ鍵遷移，最終根據(jù)底物上取代基G的不同，對映選擇性地得到1,2-順式或反式產(chǎn)物（圖3）。其中，G為芳基時，z主要產(chǎn)物為反式，而G為烷基時為順式。
圖3. 反應(yīng)概覽、底物范圍和產(chǎn)物衍生化
對于芳基遷移反應(yīng)來說，生成反式產(chǎn)物的非對映立體選擇性（量化為diastereomer ratios，d.r.）與兩個芳基的電子性質(zhì)緊密相關(guān)（苯乙烯部分靜止不動的芳基和遷移的芳基），遷移芳基越缺電子，或者靜止不動的芳基越富電子，則非對映選擇性越差（圖3，3a~i）。對比來看，烷基遷移反應(yīng)不同于芳基遷移，其生成順式產(chǎn)物的非對映選擇性對靜止芳基或遷移基團的電子性質(zhì)并不敏感（圖3，4a~g），反應(yīng)結(jié)果均為高比例的順式產(chǎn)物。此外，C-H鍵的遷移同樣是可行的，雖然對映選擇性稍差（圖3，5a）。
為了理解上述芳基和烷基遷移的不同選擇性，以及取代基電子效應(yīng)的影響，作者對芳基遷移體系和烷基遷移體系分別做了詳細的機理實驗和理論研究（Hammett研究、動力學(xué)同位素實驗、理論計算，等等）。具體的分析過程，我們在此不再贅述，感興趣者請自行閱讀。下面簡單介紹作者給出的反應(yīng)機理（圖4）：
圖4. 反應(yīng)機理
對于烷基和芳基來說，都存在兩個過程的競爭，即氟離子的親核進攻和σ遷移誰先誰后的問題。由于芳基富電子，可以形成穩(wěn)定的三元環(huán)中間體，因此反應(yīng)先發(fā)生對映選擇性的分子內(nèi)1,2遷移，這是決定產(chǎn)物立體化學(xué)的步驟，分子間的氟離子親核取代隨后，再經(jīng)歷一次芳基鄰基參與離去芳基碘和氟離子親核取代后，給出反式產(chǎn)物；烷基的遷移碳為sp3雜化，且無法形成穩(wěn)定的環(huán)狀中間體，因此先發(fā)生的氟離子加成為決定產(chǎn)物立體化學(xué)的步驟，此步驟后產(chǎn)物立體化學(xué)唯一確定，最終給出順式產(chǎn)物。
綜上，作者基于手性芳基碘催化劑發(fā)展了高對映選擇性的1,3-二氟化反應(yīng)策略。在完全相同的條件下，芳基和烷基遷移的底物通過兩種完全不同的路徑進行反應(yīng)，且均得到了高對映選擇性的反應(yīng)結(jié)果。該工作為不對稱催化中反應(yīng)機理的普適性原理提供了有力闡釋。
