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JACS:烯烴的還原交叉偶聯(lián)反應

來源:化學加原創(chuàng)      2023-11-14
導讀:近日,意大利博洛尼亞大學(University of Bologna)Paolo Melchiorre課題組發(fā)展了光驅動的反應策略,在溫和的反應條件下使用光氧化還原催化劑和廉價的硫醇催化劑通過還原交叉偶聯(lián)反應將兩個烯烴有效的“縫合”在一起,從而構建了一根新的C-C鍵,并合成了一系列具有重要應用價值的sp3-雜化產物。反應中缺電子烯烴被光氧化還原催化劑還原,在質子化后產生碳自由基,隨后被中性烯烴捕獲。這種分子間交叉偶聯(lián)反應策略可以通過非傳統(tǒng)的斷鍵方式從烯烴快速合成sp3-骨架分子。相關成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上,文章鏈接DOI:10.1021/jacs.3c11285。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

正文

烯烴廣泛存在于石油衍生化合物、天然產物、藥物和材料分子中。因此,探索它們的直接官能團化方法具有重要意義。通過兩個烯烴的分子間交叉偶聯(lián)是一種非常有用的轉化,因為其可以利用這些簡單易得的起始原料快速構建新的C-C鍵。在此背景下,Baran課題組報道了一種基于金屬氫化物的氫原子轉移(MHAT)機理實現(xiàn)了烯烴的還原交叉偶聯(lián)反應(Figure 1a)??偟膩碚f,這一過程通過兩個烯烴的結合產生了具有重要應用價值的sp3-雜化產物。最近,意大利博洛尼亞大學Paolo Melchiorre課題組發(fā)展了一種不同機理模式的烯烴分子間還原交叉偶聯(lián)新方法。其使用光氧化還原催化劑和廉價的硫醇催化劑將兩個烯烴“縫合”在一起,從而形成一根新的C-C鍵(Figure 1b)。下載化學加APP到你手機,更加方便,更多收獲。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

首先,作者以富馬酸二甲酯1[E(1a/1a??) = ?1.47 V vs SCE]和苯乙烯2a作為模板底物進行反應探索(Figure 2a)。通過一系列條件篩選,作者發(fā)現(xiàn)當使用1a (1.5 equiv), 2a (1.0 equiv), PC A (0.6 mol%), HAT 4a (20 mol%), H donor 5a (2.0 equiv), 在450 nm 藍光(EvoluChem)的照射下,DCE (0.05 M)中50 oC反應4小時,可以以95%的GC產率,83%的分離產率得到目標產物3a(entry 1)。控制實驗表明H donor、HAT催化劑、光催化劑以及光照對此轉化至關重要,缺一不可。此外,當作者在反應中加入自由基捕獲劑TEMPO時反應被完全抑制,由此表明反應中涉及自由基反應路徑。

為了深入理解反應機理,作者進行了Stern-Volmer淬滅實驗(Figure 2b)。實驗結果表明在增加淬滅劑量的情況下,富馬酸二甲酯1a是比苯乙烯2a更有效的淬滅劑。這一結果與作者所提出的機理一致(Figure 2c),即受激發(fā)的光催化劑可以通過單電子轉移(SET)有效地還原缺電子烯烴1,從而產生活性自由基陰離子中間體I。隨后,I經歷質子化生成自由基中間體II,并被烯烴2捕獲得到自由基中間體III。最后,自由基中間體III可以從硫醇4中攫取一個氫原子,生成還原烯烴偶聯(lián)產物3和巰基自由基IV。同時,硫酚鹽V [E(IV)/ V) =?0.36 V vs [FC+/FC]in DMSO for thiophenolate]可以被氧化的光催化劑(E[Ir(IV)/Ir(III)] = 0.77 V vs SCE)氧化,使光催化劑再生,并生成巰基自由基IV。而巰基自由基IV可以從H donor 5中攫氫并再生硫醇催化劑4。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

隨后,作者對此轉化的底物范圍進行了考察(Figure 3)。首先,當作者將此轉化放大至5.0 mmol規(guī)模,仍可以以80%的產率得到目標產物3a(1.0 g),由此證明了此轉化的實用性。此外,底物適用性考察實驗結果表明一系列不同取代的苯乙烯、非活化的端烯、雜芳基烯烴、端二取代烯烴以及內烯烴均可以作為自由基受體,以37-84%的產率得到相應的產物3b-3w。其中內烯烴的活性相對較低,僅以44%的產率得到產物3r。此外,此策略還可以實現(xiàn)一系列含有烯烴的天然產物衍生物(gibberellic acid和bezafibrate)的后期修飾,分別以58%和37%的產率得到相應的產物3t3u。值得注意的是,作者利用此轉化對端烯和內烯的反應性差異,實現(xiàn)了gibberellic acid衍生物的化學選擇性官能團化,即分子內的內烯雙鍵可以保持不變。而當作者使用β-pinene 或caryophyllene oxide為反應物時,反應均經歷了開環(huán),分別以74%和67%的產率得到產物3v3w,由此進一步證實了反應中涉及自由基中間體III(Figure 2c)。

接下來,作者考察了此烯烴交叉偶聯(lián)反應中與苯乙烯2a反應的缺電子烯烴的兼容性。實驗結果表明,當利用光催化劑PC B結合弱堿2,4,6-collidine使用時,可以有效增強相對低反應性的缺電子烯烴的反應活性。包括反丁烯二腈、丙烯腈、丙烯酸酯、烯基砜、N-甲基馬來酰亞胺、丙烯酰胺、丙烯醛等均可順利參與反應,以45-79%的產率得到相應的產物6k-6j。值得注意的是,生物活性分子衍生的丙烯酸酯(L-tyrosine, Estrone)也可兼容,分別以61%和71%的產率得到產物6k6l

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

最后,作者對反應機理進行了進一步探索(Figure 4)。當使用連有三元環(huán)的苯乙烯7反應時,可以以72%的產率得到開環(huán)產物8,由此表明反應中由缺電子烯烴產生了自由基并被7捕獲(Figure 4a)。此外,當將D2O加入反應中,可以以52%的產率得到產物6d-D,并且在丙烯酸酯的β-位觀察到70%的氘代,芐位觀察30%的氘代。這一結果與缺電子烯烴經歷SET還原相一致,形成自由基陰離子I。隨后在其β-C上發(fā)生質子化形成更穩(wěn)定的自由基中間體II。接著自由基中間體II與苯乙烯通過自由基加成得到自由基中間體III,其與原位和重水發(fā)生氘交換得到的氘代苯硫酚通過HAT過程而被氘代(Figure 4b)。 

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

總結

Paolo Melchiorre課題組發(fā)展了一種光驅動的反應策略,在溫和的反應條件下利用簡單易得的催化劑實現(xiàn)了烯烴的還原交叉偶聯(lián)反應,合成了一系列具有重要應用價值的sp3-雜化產物。實現(xiàn)此轉化的核心是通過光氧化還原來實現(xiàn)缺電子烯烴的還原,從而產生自由基。這些底物可以很容易的與各種苯乙烯和其它簡單易得的中性烯烴發(fā)生偶聯(lián)。此轉化具有良好的官能團兼容性,并可以應用其對生物相關化合物進行后期修飾。

文獻詳情:

Wei Zhou, Igor A. Dmitriev, Paolo Melchiorre*. Reductive Cross-Coupling of Olefins via a Radical Pathway. J. Am. Chem. Soc., 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c11285.

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