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Science:利用脫羰形成烷基鎳中間體,實現(xiàn)C(sp3)-C(sp3)鍵的構(gòu)建

來源:化學加原創(chuàng)      2024-09-26
導讀:近日,美國威斯康星大學麥迪遜分校(University of Wisconsin–Madison) Daniel J. Weix課題組發(fā)展了一種非自由基策略,實現(xiàn)了烷基羧酸酯的氧化加成和去羰基化過程,合成了穩(wěn)定的單烷基鎳(II)中間體。實現(xiàn)此過程的關鍵是配體雙(4-甲基吡唑基)吡啶的使用,其可以有效加速去羰基化過程,穩(wěn)定烷基鎳(II)中間體,并使非循環(huán)的鎳(0)羰基物種變得不穩(wěn)定。該反應的反應性在純自由基方法難以實現(xiàn)的C(sp3)-C(sp3)成鍵反應中得到了證明,其可以選擇性的使一級羧酸酯與一級烷基碘化物發(fā)生偶聯(lián)。文章鏈接為DOI:10.1126/science.abi4860。

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(圖片來源:Science

正文

眾多鎳催化的交叉偶聯(lián)反應依賴于有機鎳中間體的形成,但由于單烷基鎳物種難以形成的局限性限制了鎳催化C(sp3)交叉偶聯(lián)反應的發(fā)展。如果能夠?qū)崿F(xiàn)從來源豐富的羧酸酯中得到單烷基鎳(II)物種將具有重要的應用價值。但在鎳催化的偶聯(lián)反應中,羧酸衍生物主要通過脫羧形成烷基自由基,因此不具備此類反應性。最近,美國威斯康星大學麥迪遜分校Daniel J. Weix課題組發(fā)展了一種非自由基反應策略,實現(xiàn)了烷基羧酸酯的氧化加成和去羰基化過程,實現(xiàn)了穩(wěn)定的烷基鎳(II)絡合物的制備。值得注意的是,利用此策略可有效實現(xiàn)一級羧酸酯與一級烷基碘化物的交叉偶聯(lián),從而構(gòu)建C(sp3)-C(sp3)Fig. 1)。化學加_合成化學產(chǎn)業(yè)資源聚合服務平臺,歡迎下載化學加APP關注。

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(圖片來源:Science

首先,作者以羧酸酯1和烷基碘化物2作為模板底物對反應中的配體進行了篩選(Fig. 2)。通過對一系列配體篩選,作者得出Mebpp L6 (1 mol%)為最佳,該配體通過對吡唑上的電性進行調(diào)控,可以以82%的產(chǎn)率得到脫羰偶聯(lián)產(chǎn)物3,且通過氣相色譜法測得副產(chǎn)物酮4的產(chǎn)率僅為3%。其中L6的剛性三齒骨架結(jié)構(gòu)可以增強CO的釋放能力,這主要是由于(L6)NiII(alkyl)(CO)+是18電子絡合物,但鎳(II)在方形平面的16電子構(gòu)型中更穩(wěn)定。DFT計算表明,(L5)Ni(CO)是一種具有開放配位位點的方形平面絡合物,且其基態(tài)為(L5?–)NiI(CO)。此計算結(jié)果與實驗結(jié)果相一致,L5L1的反應相比受CO中毒的影響較小。上述實驗結(jié)果表明,三齒配體可以避免CO中毒,這與可逆生物氧化還原反應、光解或化學計量試劑是互補的。

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(圖片來源:Science

為了更好的理解羰基步驟以及交叉選擇性的起源,作者進行了機理研究(Fig. 3)。首先,作者在室溫下將等摩爾的Ni0(COD)2L5和鄰苯二甲酰亞胺羧酸吡啶酯5混合在四氫呋喃(THF)中來探索其脫羰過程(Fig. 3A)。由于吡啶酮配體會使得烷基鎳配合物的分離存在一定的困難,因此作者使用TMSCl將其交換為Cl-,最后交換為BArF-后分離出穩(wěn)定的、帶正電荷的烷基鎳(II)絡合物7,并對其進行了包括單晶X-射線衍射在內(nèi)的全面表征。鎳的配位環(huán)境為扭曲的正方形平面結(jié)構(gòu),與相關的(L3)NiII(Ar)+絡合物的配位環(huán)境相似。由于作者能夠通過中間氯代絡合物中間體分離出7,因此這一結(jié)果表明吡啶酮配體在脫羰基步驟中發(fā)揮了作用。

接下來,為了更好的了解脫羰步驟,作者測試了絡合物7與CO的反應性。盡管CO配位或插入在熱力學上有利于烷基鎳(II)配合物的生成,但作者無法通過核磁共振直接觀察到插入后的產(chǎn)物8(Fig. 3B)。加入13COg(1 equiv)后仍然是不配位的游離CO,且在~280 ~ ~200 ppm之間作者沒有觀察到羰基物種或酮類副產(chǎn)物的峰。只有在75 equiv的13COg的存在下,7的濃度才會下降,但得到的是未知產(chǎn)物。當713COg (1atm)和親核試劑(NaOPh, 1 equiv)捕獲時,可以以47%的產(chǎn)率得到13C標記的酯產(chǎn)物9(Fig. 3C)。這些結(jié)果表明[(bpp)NiII(CH2NPhth)]+7比插入的絡合物8更具熱力學穩(wěn)定性,但這些絡合物在動力學上是可獲得的。

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(圖片來源:Science

考慮到自由基脫羰的先例以及烷基酯與鎳催化脫羰交叉偶聯(lián)的罕見性,作者尋求進一步的證據(jù)來證明脫羰是此催化反應的主要途徑(Fig. 4)。1e-脫羰途徑的顯著特征是游離烷基自由基的生成。而當使用α-手性羧酸作為底物時,會導致立體化學的消失。相比之下,脫羰是一個1,1-遷移過程,其是立體特異性的。為了闡明關鍵的脫羰步驟,作者考察了N-Cbz-4-(叔丁硅氧基)-脯氨酸酯的化學計量和催化脫羰氘化(Fig. 4A)。羥脯氨酸衍生物的兩種非對映體(1012)分別反應形成氘化產(chǎn)物1113,且具有近乎完全的立體特異性(分別>99%和98%的立體化學保持)。為了確保這些化學計量結(jié)果與催化作用相關,作者隨后在d1-2,4,6-三甲基苯甲酸(14)存在的情況下(作為烷基鎳捕獲劑),將10與烷基碘2進行了標準的脫羰交叉親電偶聯(lián)。雖然由于β-氫消除存在使得立體定向的交叉偶聯(lián)產(chǎn)物產(chǎn)率很低,但反應中的烷基中間體可以被14氘化生成11,產(chǎn)率為63%,并完全保留了立體化學。這些結(jié)果與通過自由基途徑得到的偶聯(lián)產(chǎn)物的非對映體比(dr)為1:1的結(jié)果形成了鮮明的對比。

接下來,作者研究了烷基鎳(II)絡合物7對烷基碘化物2的反應性和選擇性(Fig. 4B)。雖然烷基鎳(II)絡合合物在構(gòu)建C(sp3)-C(sp3)鍵中常被提及,但在化學計量反應中卻很少使用。7與3-苯基-1-碘丙烷的化學計量反應可以生成交叉產(chǎn)物15,在添加或不添加還原劑的情況下產(chǎn)率分別為61%和54%。反應中并沒有形成很多的二聚體產(chǎn)物16,這與文獻報道的結(jié)果相一致,表明三齒烷基鎳(II)絡合物比雙齒配體更能抵抗烷基配體歧化和/或自偶聯(lián)。此外,1與環(huán)丙基碘甲烷反應只生成重排化合物17,符合1e-自由基機理(Fig. 4C)。以1,1-二苯乙烯為自由基捕獲劑的催化反應進一步表明,烷基碘化物通過自由基中間體參與反應。

基于上述實驗結(jié)果,作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應機理(Fig. 4D)。2-吡啶基酯與(L6)Ni0 20的2e- 氧化加成形成酰基鎳(II)物種21。雖然作者證明20是可獲得的,但并不能排除另一種途徑,即19與酯經(jīng)歷可逆反應形成(L6)NiIII(acyl)(py)(X),隨后被Mn還原為21。不管它是如何形成的,中間體21都可以通過陽離子物種2223迅速脫羰形成絡合物24。陽離子烷基鎳(II)絡合物24可以通過自由基捕獲的方式捕獲烷基自由基,形成鎳(III)物種25。二烷基鎳(III)絡合物可以通過還原消除形成新的C(sp3)-C(sp3)鍵和鎳(I)物種19。作者認為交叉選擇性的產(chǎn)生類似于C(sp2)-C(sp3)交叉親電偶聯(lián)。這兩種烷基親電試劑的區(qū)別在于它們的活化方式不同,2-吡啶酯作為非自由基烷基親電試劑的等價物,而烷基碘化物作為1e-烷基自由基源。2-吡啶酮配體可誘導快速脫羰過程發(fā)生。烷基鎳(II) 中間體足夠穩(wěn)定,可以避免二聚化,并且能夠捕獲烷基自由基并發(fā)生還原消除。

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(圖片來源:Science

為了證明此策略的實用性,作者對底物范圍進行了考察(Fig. 5)。實驗結(jié)果表明一系列不同取代的烷基碘化物均可兼容,以27-75%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物3-41。其中包括烷氧基、硅基、鹵素、磺?;?、氰基以及酯基等均可兼容。值得注意的是,半乳糖、沙利度胺和Corey內(nèi)酯衍生的烷基碘均可順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)化,證明了此轉(zhuǎn)化的實用性。此外,自然界來源豐富的脂肪羧酸同樣具有良好的兼容性,包括甘氨酸、β-丙氨酸、高脯氨酸和γ-氨基丁酸2-吡啶基酯以及琥珀酸單酯均可實現(xiàn)轉(zhuǎn)化,以30-77%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物15,42-50。此外,復雜的天然產(chǎn)物同樣可以兼容,以24-39%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物51-54。

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(圖片來源:Science


總結(jié)

Daniel J. Weix課題組發(fā)展了一種新的非自由基反應策略,由烷基羧酸酯的氧化加成和脫羰實現(xiàn)了單烷基鎳(II)中間體的合成。三齒雙(4-甲基吡唑)(Mebpp)配體的使用是實現(xiàn)此過程的關鍵,其可以加速脫羰過程并穩(wěn)定烷基鎳(II)中間體,使得選擇性的C(sp3)-C(sp3)鍵的構(gòu)建成為可能。此外,作者通過羧酸酯與烷基碘化物的偶聯(lián)證明了此轉(zhuǎn)化的實用性。

文獻詳情:

A decarbonylative approach to alkylnickel intermediates and C(sp3)-C(sp3) bond formation. 

Zhidao Huang, Michelle E. Akana, Kyana M. Sanders, Daniel J. Weix*. 

Science, 2024, 385,1331-1337. 

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi4860.

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