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兰州大学梁永民教授团队JACS:Pd-催化的多米诺Narasaka-Heck/C(sp3或sp2)-H键活化反应,中国化工网,okmart.com
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兰州大学梁永民教授团队JACS:Pd-催化的多米诺Narasaka-Heck/C(sp3或sp2)-H键活化反应
2021年05月28日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

导读

兰州大学梁永民教授团队成功报道了Pd-催化γ,δ-不饱和肟酯经历五元Pd-环状中间体II发生多米诺Narasaka-Heck/ C(sp3或sp2)-H键活化反应,能以中等至良好的收率得到一系列螺环丁烷-吡咯啉化合物。该成果发表在J. Am. Chem. Soc.上(DOI: 10.1021/jacs.1c04114)。


Pd-催化的C-H键活化策略因其步骤经济性和原子经济性等优势广泛用于药物、工业材料以及天然产物的合成中中国化工网okmart.com。Pd-催化导向基团(DG)介导的C-H键活化以及分子内Heck-型环化/C-H键活化反应已被广泛报道。其中,Heck-型环化/远程C-H键活化一般会原位生成瞬态σ-烷基-Pd(II)中间体进而转化为复杂的环状化合物。各种螺环化合物均可通过Heck-型环化、C(sp2)-H活化、直接还原消除或迁移插入串联反应并经历五元Pd-环状中间体I得到(Scheme 1a),但没有关于经历五元Pd-环状中间体II活化C(sp3)-H键合成螺环化合物的报道。C(sp3)-H键酸度更低,高键解离能(BDE)以及缺乏与金属中心的稳定轨道相互作用导致其直接官能团化更具挑战性。


1999年,Narasaka课题组首次报道了Pd-催化γ,δ-不饱和肟酯的Narasaka-Heck环化反应合成吡咯化合物。此后,Bower等多个团队则将Narasaka-Heck环化反应的σ-烷基-Pd(II)中间体用于各种酰化、羧化、芳基化、乙烯基化,炔基化以及卤化反应中(Scheme 1b)。该类反应被用于合成各种官能团化的吡咯啉和N-杂环化合物,但应用该策略合成螺环吡咯啉的报道仍然面临巨大挑战。此外,传统的Narasaka-Heck反应主要依靠σ-烷基-Pd(II)中间体与亲核试剂反应并经历β-氢消除过程,但没有关于串联分子内C-H键活化的报道。基于上述背景研究,兰州大学梁永民教授团队成功报道了Pd-催化γ,δ-不饱和肟酯经历五元Pd-环状中间体II发生多米诺Narasaka-Heck/C(sp3)-H键活化反应,合成一系列螺环丁烷-吡咯啉化合物(Scheme 1c)。该反应是通过氧化加成的N-O键触发,这点与烯烃连接的芳基卤化物的多米诺Heck/C-H键活化反应不同。

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作者以γ,δ-不饱和肟酯1a为模板底物,通过对催化剂、配体以及溶剂等条件进行筛选,确定最优条件为(Table 1): 10 mol % Pd(OAc)2为催化剂,20 mol % PCy3·HBF4为配体,1.1 eq. Cs2CO3为碱,甲苯为溶剂,在150 ℃条件下反应12 h,反应能以75%的收率得到产物2a。

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在最优反应条件下,作者对底物范围进行了考察(Table 2)。各种对位、间位和多取代芳基、萘基、2-噻吩取代以及烷基上带有螺环丁烷的γ,δ-不饱和肟酯均能较好的适应反应条件,并以良好的收率得到相应产物。但邻位芳基取代的γ,δ-不饱和肟酯只能以20%转化率转化为相应产物。其中,2e和2n的结构通过单晶确定。此外,一系列无叔丁基取代的γ,δ-不饱和肟酯也能较好的适应反应条件,并以良好的收率得到相应产物。


紧接着,作者对底物3的多米诺Narasaka-Heck/C(sp2)-H键活化反应进行了考察(Table 3)。首先,作者以3a为模板底物,通过对催化剂、配体以及溶剂等条件进行筛选,确定最优条件为:氩气条件下,10 mol % Pd(PtBu3)2为催化剂,20 mol % XPhos为配体,2.0 eq. Cs2CO3为碱,1,4-dioxane为溶剂,在100 ℃条件下反应12 h,反应能以63%的收率得到产物4a。然后,作者考察了底物3的底物范围。


各种间位或对位取代芳基、多取代芳基、萘基取代以及烷基上带有螺环丁烷的肟酯均能较好的适应反应条件,能以中等至良好的收率得到相应产物。其中,4a和4i的结构通过单晶确定。


为了阐明反应机制,作者进行了密度泛函理论(DFT)研究(Figure 1)。如图所示,Pd-催化剂与γ,δ-不饱和肟酯1发生配位生成中间体B,B再发生氧化加成生成中间体D。随后,D中Pd中心与烯烃发生螯合转化为中间体E。紧接着,中间体E经历过渡态F-ts发生Narasaka-Heck环化反应生成σ-烷基-Pd(II)中间G。然后,中间体G发生协同金属化-去质子化(CMD)过程生成五元螺环-Pd-环状中间体J。最后,中间体J发生还原消除反应生成的中间体M发生解离过程转化为反应产物2。总之,DFT研究结果表明该反应的反应能垒为31.9 kcal mol-1,且协同金属化-去质子化过程中C(sp3)-H键断裂为该反应决速步骤。


为了进一步证明反应机理,作者进行了一系列对照实验(Scheme 2)。标准反应条件下,用C6F5COOCs代替Cs2CO3,反应仍能以73%的收率得到产物2a(Scheme 2a)。该结果表明C6F5COO-在CMD过程中作为配体参与反应。若将等摩尔的1v和1v-D6置于标准条件中,作者测得反应的KIE值为2.6(Scheme 2b)。该结果表明协同金属化-去质子化过程中C(sp3)-H键断裂可能是多米诺Narasaka-Heck/C(sp3)-H键活化反应的决速步骤。以1v-D6为底物,产物中未检测出H/D交换产物(Scheme 2c)。该结果表明C(sp3)-H活化步骤不可逆。同样的,将等摩尔的3a和5a-D6置于标准条件中,作者测得反应的KIE值为2.7(Scheme 2d)。该结果表明协同金属化-去质子化过程中C(sp2)-H键断裂可能是多米诺Narasaka-Heck/C(sp2)-H键活化反应的决速步骤。


根据密度泛函理论研究结果与反应结果,作者提出反应机理(Scheme 3)。首先,原位生成的Pd(0)催化剂与γ,δ-不饱和肟酯1a发生氧化加成反应生成亚氨-Pd(II)中间体D。然后,D发生分子内Heck环化反应生成σ-烷基-Pd(II)中间体G。由于叔丁基的存在,G不会发生β-氢消除而是发生CMD过程并经历过渡态H-ts生成五元螺环中间体J。最后,中间体J发生还原消除生成产物2a。


小结:兰州大学梁永民教授团队成功报道了Pd-催化γ,δ-不饱和肟酯经历五元Pd-环状中间体II发生多米诺Narasaka-Heck/C(sp3或sp2)-H键活化反应,能以中等至良好的收率得到一系列螺环丁烷-吡咯啉化合物。


标签:催化剂及助剂化工应用技术中心精细化学品
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