Angew. Chem. :Mn-Co双金属接力催化烯烃的多样性脱氢二氟烷基化

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二氟甲基在药物化学、材料化学等领域中是一类非常有用的结构,将其引入到化合物中可以显著改善其代谢,同时也可作为羰基的生物电子等排体(图1a)。如何在化合物中高效地引入二氟甲基片段一直以来都是合成化学领域的研究重点。然而,烯丙位二氟甲基化化合物的合成相对较为局限,主要来源于脱羧二氟甲基化以及金属试剂对卤代物的亲核取代反应。因此,开发一种新的方法合成这类化合物显得至关重要。


2022年,谢劲题组利用光催化双核锰催化高效地实现了烯烃的氢-氟烷基化反应(图1b,Nat. Synth. 2022, 1, 475)。在此研究基础上,该研究团队设想可否借助多元催化体系Mn-Co接力催化(图1c)实现烯烃的脱氢二氟烷基化,从而实现烯烃的烯丙位二氟烷基化(图1d)。该策略的主要挑战来源于双金属的兼容性,一旦两者不匹配将导致催化剂失活或者副反应的发生。



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图1 Mn-Co接力催化烯烃的脱氢二氟烷基化反应

实现该设想的关键是加入一种合适的还原剂,从而将两种催化循环串联起来。通过对还原剂的筛选,作者发现铟粉是最合适的还原剂,并且通过控制实验验证了铟粉可以还原体系中产生的Mn(CO)5Br。基于此,作者提出了可能的机理(图2):Mn2(CO)10在光照下产生•Mn(CO)5自由基,接着对氟烷基溴底物XAT过程产生氟烷基自由基8和Mn(CO)5Br。氟烷基自由基8进攻烯烃产生新的烷基自由基9,在Co(II)的作用下发生HAT生成目标产物3和Co(III)-H,该过程受动力学控制,优先攫取位阻小的Ha,因此最终生成烯丙位二氟甲基化产物。与此同时,Co(III)-H与体系中的质子生成氢气H2和原始催化剂Co(III)。另一方面,在铟粉的作用下,Mn(CO)5Br被还原为活性物种•Mn(CO)5自由基,Co(III)被还原为Co(II),从而实现两个催化的循环。

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图2 机理研究

底物拓展方面,该合成策略展现了广泛的适用范围和良好的官能团兼容性(图3)。一系列未活化的环状烯烃都能以中等到优秀的收率得到目标产物(10-27),其中,常见官能团如酯基,羟基,硼酸酯,羰基,缩酮,烯炔等都能很好的兼容。此外,非环状内烯烃也可以顺利进行(28-32),环外烯烃在此条件下可以转化为环内烯烃(33,34)。一系列含不同官能团的非活化末端烯烃能够以中等到优秀的收率得到目标产物(35-45)。缺电子烯烃和富电子乙烯酯也能适用于该反应(46,47)。

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图3 烯烃底物范围

在考察环状烯烃过程中,作者发现当使用环己烯为底物时,只监测到少量烯丙位二氟烷基化目标产物,而是以84%的收率得到了具有六元环结构的二氟甲基-芳基双官能化产物(68)。一系列环己烯衍生物在该条件下以中等的收率得到环化产物(69-73)。值得一提的是,乙烯酯类烯烃在该条件下也能得到环化产物(74-79)。有趣的是,双乙烯酮为底物时,得到了具有螺环结构产物(80),该化合物不稳定,在空气中放置一段时间后脱去CO2得到具有端烯基结构的化合物(81)。五元环内酯底物中能以34%的收率得到具有螺环结构产物(82),该产物较为稳定,而六元环内酯底物只能得到烯基移位产物(83),这也说明钴催化HAT过程的难易程度对环化过程具有明显的影响。

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图4 环化底物范围

在该工作中,谢劲课题组发展了新颖的Mn-Co双金属接力催化体系,实现了烯烃多样性脱氢二氟烷基化,得到一系列烯丙位二氟烷基取代产物以及二氟甲基化环化产物。机理研究表明,铟粉在锰介导的卤原子转移(XAT)与钴催化的氢原子转移(HAT)结合过程中起着重要作用。这种双金属接力催化策略为金属自由基化学开辟了新的途径,促进了锰介导的原子转移反应新催化模式的开发。

文信息

Manganese/Cobalt Bimetallic Relay Catalysis for Divergent Dehydrogenative Difluoroalkylation of Alkenes.

Tao Zhong, Chengyihan Gu, Yuhang Li, Jun Huang, Jian Han, Chengjian Zhu, Jie Han, Jin Xie*


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202310762




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