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張萬斌課題組Angew：銥催化/配體控制烯烴遠(yuǎn)端位點可調(diào)控氫芳基化反應(yīng)
來源：化學(xué)加原創(chuàng) 2023-08-28
導(dǎo)讀：近日，上海交通大學(xué)張萬斌教授課題組設(shè)計了一種由配體控制的銥催化烯烴遠(yuǎn)端位點可調(diào)控氫芳基化反應(yīng)，以良好的產(chǎn)率和良好至優(yōu)異的位點選擇性得到官能化在烷基鏈上次末端亞甲基和末端甲基位置的芳基化產(chǎn)物，相關(guān)研究工作發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
烯烴作為豐富且廉價的石油化工原料，被廣泛應(yīng)用于合成化學(xué)、藥物化學(xué)、材料科學(xué)和精細(xì)化工等領(lǐng)域。在各種各樣的轉(zhuǎn)化中，過渡金屬催化的烯烴氫官能化反應(yīng)能高效構(gòu)建C-C、C-N、C-O和C-B鍵等，因此備受關(guān)注。在烷基鏈上次末端亞甲基和末端甲基位置含有官能團(tuán)的化合物非常重要，它們主要是通過末端烯烴的直接Markovnikov或反Markovnikov氫官能化反應(yīng)來制備的(Scheme 1a, 上)。與末端烯烴相比，內(nèi)烯烴也是非常豐富的石油化工原料，通常以異構(gòu)體混合物的形式存在且更容易獲得。在過去的十年中，通過過渡金屬催化鏈行走來實現(xiàn)烯烴的遠(yuǎn)程氫官能化反應(yīng)引起了廣泛的關(guān)注，該策略主要給出官能化在導(dǎo)向基團(tuán)附近的產(chǎn)物。然而，僅有一些關(guān)于內(nèi)烯烴遠(yuǎn)程氫官能化反應(yīng)生成官能化在末端甲基位置產(chǎn)物的例子被報道(Scheme 1a, 下)，并且官能化在次末端亞甲基位置產(chǎn)物的制備仍然具有挑戰(zhàn)性。因此，開發(fā)內(nèi)烯烴遠(yuǎn)程位點可調(diào)控氫官能化反應(yīng)制備官能化在次末端亞甲基和末端甲基位置的產(chǎn)物具有重大科學(xué)研究意義和工業(yè)化價值。下載化學(xué)加APP到你手機，更加方便，更多收獲。上海交通大學(xué)張萬斌教授課題組長期進(jìn)行過渡金屬催化不對稱氫化反應(yīng)的研究，并對其中涉及到的金屬氫物種有了一定的理解并開展了一些金屬氫催化烯烴異構(gòu)和鏈行走官能化反應(yīng)方面的研究(Nat. Chem. 2023, 15, 988-997; ACS Catal. 2023, 13, 4409–4420; Chem. Eur. J.2023, 29, e202300027; Chin. J. Chem.2022, 40, 2269-2275; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8997-9002; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 7587-7597)。基于上述研究基礎(chǔ)，最近該課題組設(shè)計了一種銥催化內(nèi)烯烴遠(yuǎn)端位點可調(diào)控氫芳基化反應(yīng)，可以分別得到次末端亞甲基和末端甲基官能化的產(chǎn)物(Scheme 1b)為實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，應(yīng)解決以下關(guān)鍵性問題：1) 芳基底物和配體協(xié)同促進(jìn)鏈行走過程。2) 篩選合適的配體來實現(xiàn)烯烴遠(yuǎn)端位點選擇性氫芳基化。在本研究工作中，該團(tuán)隊報道了由兩種不同配體控制的銥催化內(nèi)烯烴遠(yuǎn)端位點可調(diào)控的氫芳基化反應(yīng)(Scheme 1c)。該反應(yīng)表現(xiàn)出良好的官能團(tuán)耐受性，通過分別使用商業(yè)可得的配體dcpe和DTBM-SegPhos制備在烷基鏈上次末端亞甲基和末端甲基位置官能化的產(chǎn)物，且所得產(chǎn)物具有良好的產(chǎn)率和良好至優(yōu)異的位點選擇性。Scheme1. Hydrofunctionalization of alkenes and the design of this work.首先作者對反應(yīng)條件進(jìn)行篩選(Scheme 2)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用鏈狀的雙膦配體dppe (L1)時，能以不錯的結(jié)果得到目標(biāo)產(chǎn)物3a，但觀察到大量的二烷基化的副產(chǎn)物5；進(jìn)而作者改變配體鏈長以及骨架結(jié)構(gòu)(L2-L4)，并沒有得到令人滿意的結(jié)果；令人高興的是，當(dāng)把配體P原子上的取代基變成環(huán)己基時(L5)，能夠以95%的轉(zhuǎn)化率，b:l = 17:1的選擇性得到支鏈芳基化的產(chǎn)物3a。當(dāng)改變鏈長，骨架結(jié)構(gòu)以及P原子上的取代基時(L6-L9)，均沒有得到更好的結(jié)果，有趣的是，對于BINAP類型的配體(L10)，產(chǎn)物的選擇性得到了一定程度的翻轉(zhuǎn)(b:l = 1:3)。Scheme 2. Ligand screening of the remote hydroarylation of alkene. Reaction conditions: 1a (0.5 mmol), 2a (0.2 mmol), [Ir(coe)2Cl]2 (5 mol%), Ligand (12 mol%), NaBArF (12 mol%), PhCl (2 mL), 130 °C , 48 h. [a] The conversion is based on 2a. [b] The ratio of 3a:4a:5 was determined by 1H NMR of the crude product. NR = no reaction. coe = cyclooctene; NaBArF = sodium tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]borate; Cy = cyclohexyl.在獲得最優(yōu)反應(yīng)條件后，作者對底物的適用范圍進(jìn)行了考察，該催化體系能夠以高收率和良好至優(yōu)異的位點選擇性得到一系列次末端亞甲基官能化的產(chǎn)物，并且該催化體系具有良好的底物適用范圍和官能團(tuán)耐受性。對于非活化內(nèi)部烯烴：E式和Z式烯烴底物都能呈現(xiàn)出高的收率和區(qū)域選擇性；對于烷基左側(cè)的取代基，無論是更長的鏈長、仲丁基、異丁基、叔丁基、各種環(huán)狀取代基都能以令人滿意的結(jié)果得到目標(biāo)產(chǎn)物(3b-3i)；減少烯烴異構(gòu)次數(shù)的底物和增加烯烴異構(gòu)次數(shù)的底物在該催化條件下也都能得到耐受(3j-3l)；對于含有官能團(tuán)的烯烴底物在該條件下也能以不錯的收率和高的選擇性給出支鏈產(chǎn)物(3n-3r)。對于活化烯烴：反應(yīng)經(jīng)歷了去共軛的烯烴異構(gòu)，以不錯的收率和選擇性給出支鏈產(chǎn)物(3s-3q)。接下來作者對芳基底物的適用范圍進(jìn)行了考察：苯環(huán)和吡啶環(huán)上無論帶有供電子取代基、吸電子取代基、噻吩雜環(huán)、2-苯基喹啉，2-苯基異喹啉，目標(biāo)產(chǎn)物均能順利獲得(3w-3am)。最后，作者將該催化方法應(yīng)用到天然產(chǎn)物的后修飾中，并順利得到遠(yuǎn)端支鏈芳基化的天然產(chǎn)物的衍生物(6-8) (Scheme 3)。
Scheme 3. Substrate scope for the branched products.Reaction conditions: alkene 1 (0.5 mmol), aryl substrate 2 (0.2 mmol), [Ir(coe)2Cl]2 (5 mol%), dcpe (12 mol%), NaBArF (12 mol%), PhCl (2 mL), 130 °C, 48 h. Isolated yield. The ratio of branched to linear (b:l) was determined by 1H NMR of the crude product. [a] Mixture of E/Z-alkenes. [b] 72 h.[c] L4 was used. Ar = 2-(2-pyridine)C6H4 unless otherwise noted.隨后作者嘗試了遠(yuǎn)端直鏈選擇性氫芳基化反應(yīng)，基于之前配體篩選結(jié)果(Scheme 2，L10)，首先作者篩選了一系列結(jié)構(gòu)類似BINAP類型的配體(Scheme 4，L11-L19)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用DTBM-SegPhos時(L17)，能夠以77%的轉(zhuǎn)化率，專一性的位點選擇性得到直鏈芳基化產(chǎn)物4a。Scheme 4. Ligand screening of the remote hydroarylation of alkene for the linear product. Reaction conditions: 1b (0.5 mmol), 2a (0.2 mmol), [Ir(cod)Cl]2 (5 mol%), Ligand (12 mol%), NaBArF (12 mol%), PhCl (2 mL), 130 °C, 48 h. [a] The conversion is based on 2a. [b] The ratio of 4a:3a was determined by 1H NMR of the crude product. [c] [Ir(coe)2Cl]2 (5 mol%). cod = 1,5-cyclooctadiene.在篩選到最優(yōu)反應(yīng)條件后(Scheme 4, L11)，作者對烯烴底物的適用范圍進(jìn)行了考察(Scheme 5)：帶有不同烷基取代基的3-烯烴底物能以良好的收率提供相應(yīng)的產(chǎn)物(4a-4c)；E-和Z-2-辛烯均能與2a順利反應(yīng)，以優(yōu)異的收率(92%和90%)得到產(chǎn)物；環(huán)己基取代的2-烯烴底物能以良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物(4d, 4e)；末端烯烴也能適用于該催化體系(4c, 4f)，并伴有痕量的二烷基化產(chǎn)物(<10%)；1,1-二取代烯烴和檸檬烯也能以優(yōu)異的收率提供相應(yīng)的產(chǎn)物(4g, 4h)。對于活化的內(nèi)烯烴，例如苯乙烯衍生物和α,β-不飽和酯，反應(yīng)也能順利進(jìn)行(4i-4k)。接下來，作者針對簡單烯烴研究芳基底物的適用范圍：在苯環(huán)的對位或間位具有取代基的芳基底物以良好的收率得到相應(yīng)的產(chǎn)物(4l-4p)；底物2-苯基喹啉也能得到相應(yīng)的產(chǎn)物4q。最后，作者針對活化烯烴考察了芳基底物的適用范圍：在苯環(huán)對位帶有給電子基團(tuán)或吸電子基團(tuán)的芳基底物能以良好的產(chǎn)率提供相應(yīng)的芳基化產(chǎn)物(4r-4u)；苯環(huán)間位帶有甲基取代基的底物也能得到相應(yīng)的產(chǎn)物4v。應(yīng)該指出的是，所有產(chǎn)物都具有專一的位點選擇性。
Scheme 5.Substrate scope for the linear products. Reaction conditions: alkene 1 (0.5 mmol), aryl substrate 2 (0.2 mmol), [Ir(cod)Cl]2 (5 mol%), DTBM-SegPhos (12 mol%), NaBArF (12 mol%), PhCl (2 mL), 130 °C, 48 h. Isolated yield. The linear product was obtained exclusively, which was determined by 1H NMR of the crude product. [a] Mixture of E/Z-alkenes. [b] 12 h. [c] 6 h. Ar = 2-(2-pyridine)C6H4 unless otherwise noted.作者對開發(fā)體系的實用性進(jìn)行了研究，首先反應(yīng)體系可以放大至克級規(guī)模，并保持與標(biāo)準(zhǔn)條件下相當(dāng)?shù)膶嶒灲Y(jié)果(80% yield, b:l = 16:1) (Scheme 6a)。隨后，烯烴混合物的區(qū)域收斂式遠(yuǎn)端氫芳基化反應(yīng)也可以成功實現(xiàn)，并且可以通過改變反應(yīng)條件得到單烷基化產(chǎn)物4a和二烷基化產(chǎn)物4w (Scheme 6b)。Scheme 6. Gram-scale reaction and the applications.為了研究反應(yīng)歷程，作者設(shè)計了一系列控制實驗：首先對反應(yīng)的動力學(xué)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該催化體系對于催化劑是一級，對于芳基底物是零級(Figure 1a)；反應(yīng)的KIE值是1.1，表明C-H鍵活化不是決速步驟(Figure 1b)；1-辛烯，(Z)-2-辛烯和(E)-2-辛烯能給出相似的結(jié)果，證明末端烯烴和內(nèi)烯烴在給出支鏈選擇性芳基化產(chǎn)物過程中可能經(jīng)歷相同關(guān)鍵中間體(Figure 1c);進(jìn)而作者對烯烴異構(gòu)過程進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)沒有芳基底物存在的情況下烯烴不會向末端異構(gòu)，而是通過1,3-H遷移機理異構(gòu)為熱力學(xué)更穩(wěn)定烯烴異構(gòu)體，當(dāng)加入芳基底物時檢測到烯烴主要向末端異構(gòu)；而對于末端烯烴，在2a存在下也只檢測到烯烴異構(gòu)到內(nèi)部，沒有環(huán)內(nèi)烯烴；這些結(jié)果說明在C-H鍵活化后的鏈行走過程是通過1,2-H遷移機理進(jìn)行的(Figure 1d)；氘代實驗證明了該鏈行走過程是一個可逆的過程(Figure 1e和1f)。鑒于內(nèi)烯烴遠(yuǎn)端甲基官能化反應(yīng)機理已有研究報道，接下來作者基于上述控制實驗結(jié)果并結(jié)合DFT計算，重點研究了功能化在次末端亞甲基位置的反應(yīng)歷程(Figure 2)。通過DFT計算，在烯烴底物存在下，2-苯基吡啶與銥催化劑發(fā)生C-H鍵氧化加成得到[Ir-H]物種，接下來烯烴對[Ir-H]物種進(jìn)行迭代的遷移插入和β-H消除實現(xiàn)烯烴的異構(gòu)，得到中間體IM-4。從IM-4開始，有五種可能的反應(yīng)途徑生成目標(biāo)產(chǎn)物。作者比較了五種可能的反應(yīng)路徑，發(fā)現(xiàn)路徑3為最優(yōu)：中間體IM-4通過遷移插入Ir-H鍵，得到中間體IM-6b，隨后發(fā)生β-H消除得到末端烯烴的[Ar-Ir-H]絡(luò)合物IM-7。緊接著，末端烯烴遷移插入Ir-C鍵后，得到中間體IM-9d，其中芳基加成到次末端亞甲基位置。最后通過C-H鍵的還原消除得到中間體IM-10a，在與另一分子烯烴底物交換后，目標(biāo)產(chǎn)物生成同時伴隨著下一個催化循環(huán)的開始。因為過渡態(tài)TS-9c的能量比過渡態(tài)TS-9d的能量要低(TS-9d: -9.52 kcal/mol vs TS-9c: -7.61 kcal/mol, ΔG? = 1.91 kcal/mol)，所以產(chǎn)物以支鏈選擇性為主。作者通過對兩個關(guān)鍵過渡態(tài)(TS-9c和TS-9d)的空間結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：過渡態(tài)TS-9c中烯烴底物1t的烷基鏈和環(huán)己基取代基與配體的P原子上的二環(huán)己基取代基之間存在一定的空間相互作用；然而，這種空間排斥作用在過渡態(tài)TS-9d中得到減輕，因為在過渡態(tài)TS-9d中，烯烴底物1t的環(huán)己基遠(yuǎn)離配體P原子上的二環(huán)己基取代基，正是由于烷基鏈或環(huán)己基取代基與配體P原子上的二環(huán)己基取代基之間的空間相互作用導(dǎo)致了兩個過渡態(tài)的能量差異。Figure 1.Control experiments.Figure 2.DFT calculations for the five possible reaction pathways.綜上所述，本文報道了一種由配體控制的銥催化烯烴遠(yuǎn)端位點可調(diào)控氫芳基化反應(yīng)，以良好的產(chǎn)率和良好至優(yōu)異的位點選擇性得到官能化在烷基鏈上次末端亞甲基和末端甲基位置的芳基化產(chǎn)物。機理研究的結(jié)果表明，該反應(yīng)歷程首先發(fā)生快速的鏈行走，得到末端烯烴和[Ar-Ir-H]配位的絡(luò)合物，隨后的過程通過改進(jìn)的Chalk?Harrod機理進(jìn)行：末端烯烴遷移插入到Ir?C鍵中，然后發(fā)生C-H鍵還原消除得到氫芳基化的產(chǎn)物。上述研究工作近期發(fā)表于Angew. Chem. Int. Ed.，第一作者為上海交通大學(xué)李飛博士，通訊作者為上海交通大學(xué)張萬斌教授和袁乾家副教授。文獻(xiàn)詳情：
Fei Li, Yicong Luo, Jinbao Ren, Qianjia Yuan, Deyue Yan, Wanbin Zhang*. Iridium-Catalyzed Remote Site-Switchable Hydroarylation of Alkenes Controlled by Ligands. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, https://doi.org/10.1002/anie.202309859
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