(圖片來源:Nat. Catal.)
正文 單原子骨架編輯已經(jīng)成為分子結(jié)構(gòu)修飾的重要工具,其可以通過原子插入、刪除和替換來有針對性的實(shí)現(xiàn)分子重塑(Fig. 1a)。在這其中,將單原子插入到芳香環(huán)體系是一個艱巨的挑戰(zhàn),因?yàn)樵谌シ紭?gòu)化和碳-碳鍵裂解過程具有較高的能壘。在這方面,Ciamician-Dennstedt重排是最早實(shí)現(xiàn)碳原子插入的例子之一,其中由氯仿生成的二氯甲烷在吲哚環(huán)體系中進(jìn)行環(huán)加成以得到二氯環(huán)丙烷中間體,并在加入強(qiáng)堿后通過進(jìn)一步重排得到所需的擴(kuò)環(huán)產(chǎn)物(Fig. 1b)。盡管其在環(huán)骨架的修飾中具有巨大的潛力,但由于反應(yīng)中存在Reimer-Tiemann競爭反應(yīng)、反應(yīng)條件苛刻、低收率且只能獲得鹵化產(chǎn)物等不足,這種碳原子插入策略很少被用于分子的后期修飾。近年來,化學(xué)家們利用卡拜陽離子(carbynyl cation)等效試劑(如α-鹵重氮烷烴)發(fā)展了幾類合成方法實(shí)現(xiàn)了吲哚到喹啉的轉(zhuǎn)化(Fig. 1c)。但很少有人關(guān)注通過茚的擴(kuò)環(huán)構(gòu)建萘的反應(yīng)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。 實(shí)現(xiàn)2-官能團(tuán)化萘合成的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一種不需要使用高溫和強(qiáng)堿的卡拜前體試劑。而經(jīng)典的羰基等效物α-碘鎓重氮化合物即可作為羰基自由基前體,且此類試劑可以引入各種官能團(tuán),并具有獨(dú)特的反應(yīng)性,但從未應(yīng)用于分子的骨架編輯中。作者認(rèn)為在重氮插入后,通過光氧化還原生成的自由基中間體將觸發(fā)環(huán)擴(kuò)張和重新芳構(gòu)化,以獲得目標(biāo)官能團(tuán)化的萘產(chǎn)物。然而需要必須指出的是,羰基自由基前體在活化后會產(chǎn)生三種可能的中間體,即碳自由基[?C(N2)-R]中間體、卡賓[X-C(:)-R]中間體和游離卡拜[:?-R]中間體(Fig. 1d)。因此,必須通過調(diào)節(jié)失去N2和自由基生成的相對速率來實(shí)現(xiàn)單一反應(yīng)中間體的選擇性形成。最近,美國德州農(nóng)工大學(xué)Osvaldo Gutierrez與德國明斯特大學(xué)Frank Glorius課題組成功發(fā)展了一種光催化的擴(kuò)環(huán)方法,其將碳原子插入到茚中實(shí)現(xiàn)了一系列2-官能團(tuán)化萘的合成(Fig. 1e)。 首先,作者選擇非取代的茚1a作為模板底物進(jìn)行反應(yīng)探索(Fig. 2)。通過一系列條件篩選,作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用1a (0.1 mmol), 2d (0.12 mmol), Ru(dtbbpy)3(PF6)2 (1 mol%)和Na2CO3 (0.2 mmol) 在CH3CN(0.05 M)中,在30 W (λmax = 450 nm)藍(lán)光照射的氬氣氛圍下室溫反應(yīng)12小時,可以以76%的產(chǎn)率得到2-酯基萘產(chǎn)物3a??刂茖?shí)驗(yàn)表明光照和光催化劑對此反應(yīng)至關(guān)重要。值得注意的是,該反應(yīng)僅對高氧濃度敏感,而溶劑含水量、溫度波動、光照強(qiáng)度和濃度對反應(yīng)結(jié)果的影響很小。 在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后,作者對轉(zhuǎn)化的底物范圍進(jìn)行了探索。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同取代的茚均可順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,以31-89%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的取代萘產(chǎn)物3a-3z, 3aa-3af。其中鹵素、三氟甲磺酸酯、三氟甲基、硝基、氰基、苯磺?;?、噻吩、吡啶、硅基、膦酸酯、硼酯以及烯基等基團(tuán)均可兼容。遺憾的是,吲哚不能兼容此體系,可能是由于吲哚會對2d進(jìn)行競爭的親核加成所導(dǎo)致(Fig. 3)。此外,不同的α-碘鎓重氮化合物同樣可以順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,以44-97%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物4a-4t。其中包括一系列合成有用的官能團(tuán),如膦酸酯、磺酸酯、砜、腈、酰胺、芳基酮、脂肪酮、烯烴、炔烴、酚羥基等均可兼容轉(zhuǎn)化,這為產(chǎn)物的后續(xù)衍生化提供了多種可能性(Fig. 4)。 為了證明此轉(zhuǎn)化的應(yīng)用潛力,作者探索了其在多環(huán)化合物和藥物分子合成中的應(yīng)用(Fig. 5)。當(dāng)使用雙茚底物反應(yīng)時,可以以32%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的雙萘產(chǎn)物5a(Fig. 5a)。此外,作者還對aldosterone骨架進(jìn)行了直接修飾,一步以42%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的萘產(chǎn)物5a(Fig. 5b)。此碳原子插入反應(yīng)為設(shè)計(jì)更簡潔的天然產(chǎn)物合成路線提供了機(jī)會。例如,含萘藥物adapalene衍生物5d可以通過已建立的茚擴(kuò)環(huán)(62%)、鈀催化的硼化(90%)和隨后的Suzuki-Miyaura反應(yīng)(72%)來制備(Fig. 5c)。 (圖片來源:Nat. Catal.) 在成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化后,作者對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究(Fig. 6)。首先,紫外-可見吸收光譜分析表明,光催化劑Ru(dtbbpy)3(PF6)2和2d在激發(fā)波長(λmax = 450 nm)附近都是吸光物質(zhì)(Fig. 6a)。對照實(shí)驗(yàn)表明,在沒有光催化劑的情況下,用較高能量的光源(λmax = 450 nm,λmax = 405 nm和λmax = 365 nm)照射反應(yīng)混合物時并沒有觀察到目標(biāo)產(chǎn)物(Fig. 6b)。此外,作者從對照實(shí)驗(yàn)中檢測到了較低的茚轉(zhuǎn)化率,且并沒有分離出除鄰碘苯甲酸酯以外的特征物種。Stern-Volmer分析表明,2d能有效淬滅Ru(dtbbpy)3(PF6)2的發(fā)光,而茚則沒有淬滅,說明在反應(yīng)條件下存在光催化劑與α-碘鎓重氮試劑的相互作用(Fig. 6c)。循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)表明,試劑2d (Ered = -0.46 V vs SCE, CH3CN)在高還原性光催化劑激發(fā)態(tài)*[Ru]II (E(II)?/(iii) 1/2 = - 0.81V)下發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移,生成自由基?C(N2)COOEt、芳基碘和三氟甲磺酸陰離子(Fig. 6d,e)。此外,量子產(chǎn)率測量(Φ = 11.5)表明,此轉(zhuǎn)化是通過鏈?zhǔn)竭^程發(fā)生的。這些結(jié)果強(qiáng)有力的表明此轉(zhuǎn)化是氧化還原過程。接下來,作者利用氘標(biāo)記的底物6a和6c參與反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以在沒有任何氘減少的情況下,以良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物(Fig. 6f)。因此,作者推測反應(yīng)中不存在質(zhì)子消除過程。在添加TEMPO和2,6-DTBP作為自由基捕獲劑后,1a與2d的反應(yīng)受到了很大程度的抑制,且可以通過氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析直接觀察到中間體6e和6f,由此表明反應(yīng)中可能存在自由基中間體(Fig. 6g)。此外,通過與1-烯丙基茚6g反應(yīng),3a和6h的產(chǎn)率均為24%(Fig. 6h)。且當(dāng)使用1,1-二甲基茚 6i反應(yīng)時,作者以22%的產(chǎn)率分離到了意外產(chǎn)物6j(Fig. 6i)。作者推測這些物種(3a和6j)是通過烯丙基陽碳正離子中間體的重排產(chǎn)生的。 (圖片來源:Nat. Catal.) 最后,為了進(jìn)一步理解反應(yīng)機(jī)理,作者進(jìn)行了DFT計(jì)算(Fig. 7),并得出如下結(jié)論:1)自由卡拜的形成在動力學(xué)和熱力學(xué)上都是不利的,并且可能不是該反應(yīng)中的反應(yīng)中間體。2)最有利的途徑是由II?與2f的單電子轉(zhuǎn)移(SET)形成自由基鏈載體I? ,隨后通過中間產(chǎn)物III+進(jìn)行陽離子環(huán)化。 (圖片來源:Nat. Catal.) 總結(jié)
Osvaldo Gutierrez和Frank Glorius課題組聯(lián)合開發(fā)了一種光氧化還原擴(kuò)環(huán)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了將官能團(tuán)化碳原子快速插入到茚骨架中。此反應(yīng)的關(guān)鍵是使用α-碘鎓重氮化合物作為卡拜前體,并同時實(shí)現(xiàn)光氧化還原催化。這種溫和的方法對各種官能團(tuán)表現(xiàn)出良好的耐受性,可以實(shí)現(xiàn)一系列2-官能團(tuán)化萘的合成。DFT計(jì)算表明該反應(yīng)可能是通過重氮甲基自由基與茚的加成進(jìn)行的。該方法將為分子骨架編輯提供一種新的策略,并為分子的合成路線設(shè)計(jì)提供新的思路。
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