ChemCatChem综述 | 钯/布朗斯台德酸催化的炔烃官能化研究进展:Tsuji-Trost烯丙基化及其立体选择性

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炔烃是最丰富的化学转化原料之一,在钯和布朗斯台德酸催化剂的共同作用下,它们能被转化为高活性的烯丙基金属物质,从而适用于具有完全原子经济性的Tsuji-Trost偶联反应。这种催化方法克服了传统碳碳和碳卤键形成方法的局限性,即避免形成当量或者过量的副产物。在这篇综述中,作者旨在调查该领域的最新进展,包括在聚合物化学、氘标记和立体选择性催化中的应用。

Tsuji-Trost 反应是有机化学中最强大的催化合成方法之一。钯、铑、钌等后过渡金属在底物存在下能形成亲电子 π-烯丙基物质的能力在烯丙基位置含有离去基团,因而被广泛利用来开发新转化。尽管在这一研究领域取得了相当大的进展,但该方法最重要的限制是形成当量的离去基团副产物,进而影响催化的原子经济性。但使用烯丙基亲电子试剂作为底物,通过碳氢活化,能够有限减少副产物。在九十年代初,Trost 的研究小组开创了这一领域,这些开创性的工作发现了炔烃衍生物能产生亲电子π-烯丙基物质,而反应成功的关键是钯催化剂和简单羧酸的结合。尽管缺乏强有力的实验证据,但普遍认为钯 (0) 预催化剂可以通过布朗斯台德酸进行氧化加成形成氢化钯 (II) 配合物,然而, Pd(0)-炔烃配合物似乎可能在某些反应条件下起作用实现从酸转移质子。钯(II)-氢化物的原位形成使得一系列基本步骤能够包含在两个离散的催化循环中:在第一个循环中,催化活性物质 A 对炔烃进行氢钯化反应,形成乙烯基钯 (II)中间体 B,其随后通过 β-氢消除步骤异构化为相应的丙二烯C;然后,丙二烯 C 进入第二个催化循环,通过随后的水钯化传递亲电 π-烯丙基钯物质 D;最后,在 D 中加入亲核试剂,在还原消除后形成烯丙基产物和钯 (0) 物质(图 1)。

图1:Tsuji-Trost 与炔烃烯丙基化的一般机制。


后来,Yoshinori Yamamoto 小组对这种方法进行了广泛且系统的研究,他们对该领域做出了重要贡献。例如,通过使用芳基丙炔衍生物,报道了几种 Tsuji-Trost烯丙基化和碳/氧/氮中心的亲核试剂(图2a)。

图2:钯催化的亲核试剂与炔烃的加成 (a);氮茚 (-)-209D 生物碱的全合成(b);炔烃的对映选择性胺烯丙基化(c)。


通过应用炔烃加氢胺化方法作为中氮茚生物碱 (-)-209D 全合成的关键步骤,突出了该方法在全合成领域的有效应用(图2b)。值得一提的是,这些转化的立体选择性变体也适用于当量的手性二膦配体。尽管需要高负载量的催化剂,但手性钯催化剂能够通过炔烃的分子内烯丙基化合成广泛的对映体富集杂环(图2c)。随后许多研究小组开始在这个方向进行研究,他们利用不同的过渡金属在布朗斯台德酸和炔烃存在下进行催化反应,这种方法也可以通过使用丙二烯或 1,3-二烯衍生物作为底物,由于这些不饱和烃的合成通常依赖于底物,因此具有显着的合成局限性。在这种情况下,使用钯催化剂仍然是最合适的选择,因为钯金属允许兼容大量的官能团。


本期为大家介绍由意大利帕尔马大学的Gianpiero CeraGiovanni Maestri发表的关于钯/布朗斯台德酸催化的炔烃氢官能化——本文重点总结了钯催化剂在布朗斯台德酸的存在下,可以使用简单的炔烃衍生物实现Tsuji-Trost烯丙基官能团化。瞬态亲电烯丙基钯物种的原位形成是促进具有完全原子经济性的新催化碳碳和碳卤键形成转化的关键。这种反应性有许多应用,包括聚合物化学、氘标记和立体选择性催化。虽然有几篇权威的评论对这一研究领域提供了一般性的描述,但在篇综述中,作者旨在展示通过将钯配合物和布朗斯台德酸合并用于炔烃的催化加氢功能化而获得的最新进展。特别是在第一部分中,作者重点总结了使用炔烃衍生物的Tsuji-Trost烯丙基化,当然文末也讨论了使用炔烃和亲本底物(如烯炔、1,3-二烯和丙二烯)进行不对称转化的最新进展。

图3:钯催化的吲哚与炔烃的脱芳烃烯丙基烷基化反应 (a);氘标记研究 (b)。


早在 2016 年,Lin 和 Yao 的研究小组就利用亲电 π-烯丙基钯 (II) 中间体的性质,利用炔烃和原位形成的氢化钯 (II) 物种对吲哚进行脱芳烃烯丙基烷基化反应(图3a)。由 Pd(PPh3)4 和4-氟苯甲酸组合获得的钯-氢化物催化剂,能够催化合成了具有拥挤四元立体中心的三维二氢吲哚平台,该催化反应体系具有优异的原子经济和步骤节约原则;同时该反应的机理也在氘代 1-苯基-1-丙炔衍生物存在下进行初步探索(图3b)。

图4:通过钯/羧酸联合催化合成咔啉(a);丙二酰胺对照实验 (b)。


炔烃的分子内加氢芳基化是构建具有高原子经济性杂环的有效方法,为此,Maestri 及其同事利用 N-未保护的炔丙基色胺衍生物合成具有完全区域选择性和 高官能团耐受性(图4a)。使用丙二酰胺中间体(图4b)做机理研究和对照实验发现,钯(0)和苯甲酸催化剂之间的协同作用,是使得炔烃能够顺序异构化为相应的丙二烯衍生物和随后的吲哚碳氢活化的关键。

图5:钯催化的可互变异构杂环与炔烃的烯丙基化。


除了使用传统的碳中心亲电试剂,钯催化的炔烃烯丙基烷基化还能有效利用氮和氧为中心的亲核试剂,这类反应研究集中在天然杂环的合成修饰上。这些分子具有不同的路易斯基本功能,因此具有许多可能的反应位点,导致化学选择性功能化极具挑战性。最近,Gao 及其同事报道了使用钯 (II)-氢化物催化剂与炔烃进行互变异构杂环的 N-烯丙基化。这个简单的方案允许化学选择性合成不同取代的喹唑啉酮、嘧啶、吡啶和苯并恶唑啉,整个反应过程具有良好的产量和完整的原子经济性(图5)。

图6:钯/苯甲酸催化的内部二炔和二醇的区域选择性和立体选择性聚合。


有趣的是,在聚合物化学中也开发了在内部二炔存在下使用氢化钯 (II) 催化剂:使用氧亲核试剂,如二醇,可以合成具有高平均分子量(MW 高达 33200)的区域和立构有规官能聚烯丙基醚。这些聚合物的合成以高产率进行并且完全电子选择性。值得注意的是,通过该工艺获得的材料具有优异的成膜能力和高折射率,这可以促进它们作为二维荧光光图案的应用(图6a)。这种方法最近得到了扩展,使用二苯基二胺衍生物作为亲核模式,用于在钯/羧酸催化方案下合成聚烯丙基叔胺(图6b),得以在高产率条件下合成高分子量 (MW 高达 25600) 氨化材料。

图7:对映选择性,钯催化的酮与炔烃的α-烯丙基化。


除此之外,在钯催化条件下,使用炔烃作为亲电子 π-烯丙基金属前体,代表了一种更高原子经济性的方法来开发对映选择性烯丙基化方案。如前所述(图2b),通过合理搭配钯催化剂和手性配体配体配体配体,能够顺利实现具有立体选择性地烯丙基官能团化(图7)。


总而言之,如今可持续合成方法的发展在有机化学界至关重要。将炔烃衍生物用作Tsuji-Trost型功能化的通用亲电模式的可能性代表了开发具有高原子经济性和效率的新型催化方法的理想机会。这篇综述描述了对结合简单布朗斯台德酸和流行的钯催化剂所取得的最新进展,特别是,通过相对简单的催化系统,可以在高产率、区域和化学选择性的条件下,同时实现对炔烃衍生物的大量合成操作,从而提供更复杂的不饱和结构。事实上,许多催化反应都显示出强大的配体效应,这表明开发新一代配体将是必须的,以实现新的碳卤键形成方法。此外,使用已建立的手性布朗斯台德酸或设计新的酸,将是实现新型对映选择性功能化的关键。作者希望这篇综述将为这一研究领域开辟新的视角,该领域最近见证了一种复兴,促进了新型催化方法的发展。


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