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上海交大張萬斌團(tuán)隊(duì)Nat. Chem.:通過可調(diào)控的烯烴異構(gòu)化實(shí)現(xiàn)烯烴多位點(diǎn)可編程的官能化反應(yīng)

來源:化學(xué)加網(wǎng)      2023-05-19
導(dǎo)讀:近日,上海交通大學(xué)張萬斌教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一例鈀催化烯烴的氧化脫氫的方法,通過調(diào)控烯烴異構(gòu)化和氧化官能化的反應(yīng)次序的策略,實(shí)現(xiàn)了烯烴多個位點(diǎn)的可編程官能化反應(yīng)。該方法對一系列非活化的末端烯烴,實(shí)現(xiàn)了伴隨可控遠(yuǎn)程烯基化的1-位、2-位、1,2-位和1,2,3-位的單、雙和三乙酰氧基化反應(yīng)。該方法可以將來自石化原料簡單易得的末端烯烴方便地轉(zhuǎn)化為不飽和一元醇、二元醇和多元醇,特別是可以由末端烯烴通過簡單的兩到三步反應(yīng)構(gòu)建多種單糖(包括稀有單糖)和C-糖苷。該工作于2023年5月18日在Nature Chemistry期刊在線發(fā)表(DOI:10.1038/s41557-023-01209-x)。論文通訊作者是張萬斌教授,第一作者是吳正興助理研究員,上海交通大學(xué)為唯一單位。

碳?xì)滏溸x擇性的官能化,包括其多官能化,是合成化學(xué)中的一個基本問題。傳統(tǒng)的C=C雙鍵和C(sp3)–H鍵的官能化反應(yīng)是一類有效的方法,但碳?xì)滏溕瞎倌芑稽c(diǎn)的多樣選擇性仍然是一個挑戰(zhàn)性難題。在最近迅速發(fā)展的碳?xì)滏溸h(yuǎn)程官能化領(lǐng)域,將烯烴的異構(gòu)化和(氧化)官能化相結(jié)合有望在克服官能化位點(diǎn)局限性方面提供更多的機(jī)會??紤]到大多數(shù)非環(huán)狀化合物可以看作是在碳?xì)滏溕系哪承┪稽c(diǎn)進(jìn)行官能化的產(chǎn)物,因此多樣性的位點(diǎn)官能化(包括C=C雙鍵和C(sp3)–H鍵)可以極大地提高其合成效率。目前鏈烯烴的遠(yuǎn)程官能化領(lǐng)域可以分為三類反應(yīng)模式,即異構(gòu)化/官能化、氧化官能化/異構(gòu)化、氧化官能化/異構(gòu)化/官能化等反應(yīng)模式(圖1a)。盡管此領(lǐng)域近年來取得較大發(fā)展,但目前官能化位點(diǎn)的多樣性仍然受限,主要集中在碳?xì)滏湹亩宋换蛘T導(dǎo)基團(tuán)的近端位點(diǎn)。新的位點(diǎn)選擇性官能化,包括多官能化,仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。

針對官能化位點(diǎn)受限的難題,急需發(fā)展遠(yuǎn)程官能化新模式。為此作者認(rèn)為調(diào)控烯烴異構(gòu)化和氧化官能化的反應(yīng)次序(圖中分別縮寫為Iso.和Func.)將是發(fā)展遠(yuǎn)程官能化新模式的理想策略,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)鏈烯烴的多樣化的位點(diǎn)官能化新反應(yīng)(圖1b)。作者希望探索出一類PdII/O2組成的氧化體系,其中烯烴異構(gòu)化和氧化官能化的反應(yīng)次序通過PdIIX2和體系中原位生成的PdII–H物種之間的相互協(xié)作來控制(圖1c)。具體而言,體系中PdII–H物種通過PdII–H遷移插入和隨后的β-H消除負(fù)責(zé)反應(yīng)中的異構(gòu)化過程,而PdIIX2物種通過親核鈀化和隨后的β-H消除負(fù)責(zé)反應(yīng)中的氧化官能化過程(圖1c)。對于PdII–H物種負(fù)責(zé)的異構(gòu)化過程,作者認(rèn)為在氧化官能化過程之前和之后分別控制異構(gòu)化過程(分別由途徑i和ii表示)是調(diào)控反應(yīng)次序的關(guān)鍵(圖1d)。氧化官能化之前的異構(gòu)化過程(途徑i)主要通過催化體系中PdII–H物種的穩(wěn)定性來控制,而氧化官能化之后的異構(gòu)化過程(途徑ii)主要通過PdII–H物種與鏈烯烴配位以及配位后形成的配位鍵旋轉(zhuǎn)來控制。

基于上述策略可行性分析,上海交通大學(xué)的張萬斌團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一例鈀催化烯烴的氧化脫氫的新方法,通過烯烴異構(gòu)化和氧化官能化反應(yīng)次序的調(diào)控策略,實(shí)現(xiàn)了烯烴的多個位點(diǎn)可編程官能化反應(yīng)(圖1e)。該策略具體通過促進(jìn)或抑制上述途徑i和途徑ii來完成(圖1b–d)。具體而言,該研究中對于一系列非活化的末端烯烴,分別實(shí)現(xiàn)了伴隨著可控遠(yuǎn)程烯基化的1-乙酰氧基化(Func./Iso.,通過抑制途徑i和促進(jìn)途徑ii)、2-乙酰氧基化(Iso./Func./Iso,通過促進(jìn)途徑i和途徑ii),1,2-雙乙酰氧基化和1,2,3-三乙酰氧基化反應(yīng)(Func./Func.和Func./Func./Func.,通過抑制途徑i和途徑ii)。


圖1 烯烴的遠(yuǎn)程官能化反應(yīng)

探索合適的條件來調(diào)控烯烴異構(gòu)化和氧化官能化之間的反應(yīng)次序至關(guān)重要,其中關(guān)鍵是在氧化官能化之前和之后對于異構(gòu)化過程的控制(途徑i和ii)。首先,作者認(rèn)為反應(yīng)體系的酸性可以通過PdII–H和Pd0之間的平衡影響催化體系中PdII–H的穩(wěn)定性,從而可以在氧化官能化之前控制異構(gòu)化過程(途徑i)(圖1d)。其次,酰胺溶劑可以影響PdII–H與鏈烯烴的配位(例如,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)或N,N-二甲基乙酰胺(DMA)可以保持PdII–H與烯烴鏈的配位);當(dāng)氯離子與PdII–H配位時,氯離子可以促進(jìn)PdII–H和烯基之間配位鍵的旋轉(zhuǎn)。因此,作者設(shè)想酰胺溶劑和氯離子的協(xié)同配位作用可以控制氧化官能化之后的異構(gòu)化過程(途徑ii)(圖1d)。作者將上述影響異構(gòu)化過程的因素應(yīng)用于反應(yīng)次序的調(diào)控。


表1 反馬氏氧化1-羥基化反應(yīng)的底物范圍

作者通過抑制催化體系中PdII–H的穩(wěn)定性來抑制末端烯烴的初始異構(gòu)化過程(途徑i),具體將添加劑乙酸鈉(NaOAc)加入到乙酸(AcOH)溶劑體系中以調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的酸性。另外作者使用DMF或DMA作為溶劑,并將催化量的氯化鈉(NaCl)添加到反應(yīng)混合物中,以促進(jìn)氧化官能化之后的異構(gòu)化過程(途徑ii)。通過反應(yīng)條件的優(yōu)化,以良好的產(chǎn)率得到產(chǎn)物2a,同時還觀察到少量2-乙酰氧基化的副產(chǎn)物3a(表1)。為了更容易純化,通過1-乙酰氧基化反應(yīng)和隨后的醇解,以良好的產(chǎn)率得到伯醇4a。反應(yīng)條件適用于不同鏈長的苯基為遠(yuǎn)程誘導(dǎo)基團(tuán)的烯烴底物(4a–4q),此外該反應(yīng)中羰基、酯基和酰胺基也可以作為遠(yuǎn)程誘導(dǎo)基團(tuán)(4r–4v)。


表2 氧化2-羥基化反應(yīng)的底物范圍

接下來,作者探索了其他反應(yīng)次序的可能性。異構(gòu)化/氧化官能化/異構(gòu)化作為一種遠(yuǎn)程官能化新模式,可以實(shí)現(xiàn)多樣化的位點(diǎn)官能化。為此在氧化官能化之前和之后促進(jìn)異構(gòu)化過程(途徑i和ii)至關(guān)重要(圖1b–1d)。為了促進(jìn)末端烯烴的初始異構(gòu)化過程(途徑i),作者探索了溶劑中不同比例的AcOH/NaOAc以提高催化體系中PdII–H的穩(wěn)定性。為了促進(jìn)氧化官能化之后的異構(gòu)化過程(途徑ii),作者使用了溶劑DMA和催化量的氯離子。通過優(yōu)化條件,伴隨著遠(yuǎn)程烯基化的2-乙酰氧基化反應(yīng)順利進(jìn)行,得到產(chǎn)物3a和少量的副產(chǎn)物2a(表2)。同樣地,在一鍋中進(jìn)行2-乙酰氧基化反應(yīng)和后續(xù)的的醇解可以得到仲醇5a。一系列的芳基、羰基、酯基和酰胺基為遠(yuǎn)程誘導(dǎo)基團(tuán)的烯烴底物都可以得到相應(yīng)產(chǎn)物5b–5r。


表3 氧化1,2-雙乙酰氧基化反應(yīng)的底物范圍

除了上述的氧化1-和2-乙酰氧基化反應(yīng)外,理論上烯烴的連續(xù)多個位點(diǎn)的氧化官能化反應(yīng)也可以使用反應(yīng)次序的調(diào)控策略來解決(圖1e)。為了克服這一挑戰(zhàn),在氧化官能化之前和之后抑制異構(gòu)化過程(途徑i和ii)至關(guān)重要(圖1b–1d)。為了抑制末端烯烴的初始異構(gòu)化過程(途徑i)作者調(diào)節(jié)了反應(yīng)體系的酸性。為了抑制氧化官能化之后的異構(gòu)化過程(途徑ii),作者一方面考察了不同的溶劑以代替DMA(削弱PdII–H與烯烴鏈的配位),另一方面降低氯離子濃度(削弱PdII–H和烯基之間配位鍵的旋轉(zhuǎn))。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下,氧化1,2-二乙酰氧基化反應(yīng)可以順利進(jìn)行,得到產(chǎn)物6a以及少量的1-和2-乙酰氧基化副產(chǎn)物(表3)。酯基、酰胺基、羰基和芳基都可以作為誘導(dǎo)基團(tuán),反應(yīng)以良好的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物(6a–6l)。


表4 氧化1,2,3-三乙酰氧基化反應(yīng)的底物范圍

接下來,作者將反應(yīng)條件應(yīng)用于烯烴的多級氧化的1,2,3-三乙酰氧基化反應(yīng)(表4)。通過簡單地調(diào)整1,2-二乙酰氧基化反應(yīng)條件,作者成功地實(shí)現(xiàn)了氧化1,2,3-三乙酰氧基化反應(yīng),得到了產(chǎn)物7a。此外,還觀察到少量的1,3-二乙酰氧基化反應(yīng)副產(chǎn)物8a。值得一提的是,該反應(yīng)中碳?xì)滏溕线B續(xù)五個位點(diǎn)的活化(一個C=C雙鍵和三個C(sp3)–H鍵)在一步中實(shí)現(xiàn)。誘導(dǎo)基團(tuán)也可以擴(kuò)展到不同的酯基和酰胺基團(tuán)(7b-7k)。該方法還可以兼容一些重要的結(jié)構(gòu)片段,如呋喃糖、勃地酮和甘氨酸結(jié)構(gòu)(7i–7k)。此外從Weinreb酰胺產(chǎn)物syn-7e出發(fā)可以得到不同的酮類產(chǎn)物(syn-7l–7o)。


圖2 區(qū)域匯聚的2-羥基化反應(yīng)和催化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化

基于上述的烯烴異構(gòu)化/氧化官能化/異構(gòu)化反應(yīng)模式,作者使用混合烯烴實(shí)現(xiàn)了伴隨可控遠(yuǎn)程烯基化的區(qū)域匯聚的2-官能化反應(yīng)(圖2a),這不同于已報(bào)道的區(qū)域匯聚在碳?xì)滏湹哪┒嘶蛘T導(dǎo)基團(tuán)的近端位點(diǎn)。不飽和的1,2,3-三醇9a可以很容易地通過syn-7e的簡單醇解獲得(圖2b)。不飽和醇中的羥基也可以方便地轉(zhuǎn)化為氰基或胺基官能團(tuán)(9b和9c)。通過控制催化產(chǎn)物中生成的雙鍵上的官能化可以進(jìn)一步擴(kuò)展鏈烯烴上位點(diǎn)的修飾,例如選擇性的單官能化(9d和9e)和雙官能化反應(yīng)(9f)(圖2b)。此外,通過簡單的兩步反應(yīng)可以將催化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為不同構(gòu)型的戊糖(9g和9h)和己糖 (9i–9l)(圖2c)。該方法還可以通過催化產(chǎn)物的一步轉(zhuǎn)化得到一類C-糖苷(9m和9n)(圖2d)。


圖3 反應(yīng)機(jī)理研究和推測的催化循環(huán)

作者首先驗(yàn)證了不同的乙酰氧基化反應(yīng)中可能的中間體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,作者推測在氧化1-和2-乙酰氧基化反應(yīng)中,底物4-苯基-1-丁烯1b對應(yīng)的催化產(chǎn)物2b和3b分別通過中間體10a和1b'形成(圖3a和3b)。對于氧化1,2-雙乙酰氧基化和1,2,3-三乙酰氧基化反應(yīng)(推測具有相同的機(jī)理路徑),作者認(rèn)為化合物10f是底物戊基-4-烯酸乙酯1r的1,2-二乙酰氧基化反應(yīng)中的中間體(圖3c)。盡管從二烯10g出發(fā)也能以67%的產(chǎn)率得到1,2-二乙酰氧基化產(chǎn)物6a,但根據(jù)副產(chǎn)物的分布和相關(guān)催化產(chǎn)物的立體化學(xué),作者排除了二烯10g作為主要中間體的可能性。此外,氘代反應(yīng)表明該反應(yīng)通過氧鈀化的機(jī)理路徑進(jìn)行,其中主要為反式氧鈀化過程。具體的催化循環(huán)涉及氧鈀化、β-H消除和PdII-H遷移插入三個基元反應(yīng)(圖3d–3f)。

總結(jié)

上海交通大學(xué)的張萬斌團(tuán)隊(duì)使用鈀/氧氣的催化體系,利用烯烴的異構(gòu)化和氧化官能化反應(yīng)次序的調(diào)控策略,對于一系列未活化端烯烴底物實(shí)現(xiàn)了伴隨可控遠(yuǎn)程烯基化的多個位點(diǎn)的可編程官能化反應(yīng)。該方法可以兼容一系列遠(yuǎn)程誘導(dǎo)基團(tuán),如苯基、羰基、酯基和酰胺基團(tuán)等。該反應(yīng)次序調(diào)控策略可以推動碳?xì)滏溛稽c(diǎn)選擇性的官能化和多官能化領(lǐng)域的發(fā)展。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市教委的項(xiàng)目資助。

文獻(xiàn)詳情:

Zhengxing Wu, Jingjie Meng, Huikang Liu, Yunyi Li, Xiao Zhang, Wanbin Zhang*. Multi-site programmable functionalization of alkenes via controllable alkene isomerization. Nat. Chem.,2023, https://doi.org/10.1038/s41557-023-01209-x


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