华东师范大学姜雪峰课题组JACS: Rh(I)-催化卡宾迁移/羰基化/环化合成全取代芳炔前体
2021-01-25

近日,华东师范大学姜雪峰教授课题组在JACS发表论文,报道了通过Rh(I)-催化卡宾迁移、羰基化和环化的串联过程,从而合成多种邻甲硅烷基取代的酚类化合物,可进一步转化为全取代的芳炔前体。炔烃末端的甲硅烷基不仅可抑制氧化副反应的发生,还可以控制CO的选择性插入。此外,该反应还是构建多环芳烃化合物的有效方法。文章链接DOI:10.1021/jacs.0c13012。

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  芳炔具有出色的反应活性,可作为合成功能性芳烃的有效底物。自1953年Robert等首次使用苯炔的三键用于相关反应之后,一系列类似物(如萘基炔、吡啶炔和吲哚炔)已成功用于功能性材料分子和天然产物的合成。同时,可通过苯炔、9,10-菲基炔和萘基炔有效的构建全取代的芳环骨架三亚苯基(Triphenylenes)、六苯并三亚苯基(hexabenzotriphenylenes)和红荧烯(rubrenes)。并且,苯炔也可有效地合成多环天然产物,如通过吡啶炔的环加成反应可获得玫瑰树碱,通过苯炔的串联反应可构建dictyodendrin A(Scheme 1A)。早期,主要是在碱性条件下通过芳基卤化物的脱卤化氢形成芳炔。随后,Kobayashi等报道了一种更为简便的芳炔合成方法,即通过氟化物诱导的2-(三甲基甲硅烷基)苯基三氟甲磺酸酯的1,2-消除(Scheme 1B)。最近,Hoye等报道了三炔的六氢-Diels-Alder(HDDA)工艺,实现了多环芳炔的合成。作者设想,是否可以使用二炔底物,通过卡宾迁移、CO插入和6π电环化的串联过程,从而实现全取代芳炔前体的合成(Scheme 1C)。然而,该反应也存在一定的挑战,如两种卡宾中间体的氧化竞争性反应、CO插入的顺序等。在此,华东师范大学姜雪峰课题组基于硅取代基的空间效应和超共轭效应,设计了一种含有甲硅烷基的炔基-炔胺底物,可抑制不希望的氧化,同时实现CO的选择性插入,同时,通过Rh(I)-催化卡宾迁移和甲硅烷基辅助的CO插入来实现甲硅烷基二炔的羰基化环化反应,以构建全取代的芳炔前体。

  

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  首先,作者以二炔1作为模型底物,对末端炔烃上的取代基和N-O氧化物进行了筛选(Table 1)。反应结果表明,Rh(I)-卡宾的迁移速率受硅取代基空间位阻影响,当末端炔烃取代基为TBS时,可获得76%收率的P1。同时,吡啶-N-氧化物2-位的空间位阻和电子效应均可防止氧化副产物SP-1的生成,当使用亲核试剂N-O-4时,可获得76%收率的P1。通过进一步优化(减少N-O-4的比例),可将收率提高至82%。

  

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  获得上述最佳条件之后,作者对二炔底物范围进行了扩展(Table 2)。首先,具有不同N-取代的磺酰基(如Ts、Ms和Bs),均以76-83%的收率得到所需产物2a-2c,同时,2a的克级规模实验也成功进行(83%收率)。其次,芳环上不受电子效应影响,均以高收率获得产物2d-2i。同时,各种官能团(如酯、酰胺和乙酰基)均具有良好的耐受性,以68-89%的收率获得相应的产物2j-2l。芳环上含有3,4-二取代的二炔底物,也以67-77%的收率获得产物2m-2o,但也存在10-31%收率的1,3-甲硅烷基迁移的副产物。此外,杂环取代的二炔也以82%和73%的收率获得相应的产物2p和2q。值得注意的是,该方法可有效合成咔唑类生物碱骨架(2r和2s),并且,该方法可对氨基酸、薄荷醇和雌酮进行相关的后期修饰(2t-2v)。

  

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  多环芳烃分子(PAMs)由于其在材料科学中具有独特的光电特性从而备受关注。通过加入F-源,可实现芳炔前体与各种二烯(包如呋喃、1,3-二苯基异苯并呋喃和四环酮)的环加成反应,从而以78-92%的收率获得多环芳烃产物4a-4c(Table 3)。其次,各种全取代的芳烃前体与1,3-二苯基异苯并呋喃进行环加成反应时,芳环上具有富电子和缺电子基团时,均具有良好的耐受性,以85-92%的收率获得相应的产物4d-4f,其中含有溴取代的分子可进一步进行相关的偶联反应。此外,噻吩取代的底物,也以69%的收率获得环加成产物4g。值得注意的是,这些多环芳烃分子在溶液中具有强烈的荧光,从而在有机光电材料中具有潜在的应用价值。

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  为了进一步了解反应的过程,作者对反应机理进行了研究(Scheme 2)。首先,当炔烃底物末端上含有甲基和苯基时,可获得28%和57%收率的氧化副产物SP-2,当使用空间位阻更大的叔丁基时,可以防止副产物SP-2的生成,但不利于CO的插入。这些结果表明,空间位阻以及炔烃末端的电子效应对于反应至关重要(Scheme 2a)。紧接着,1i于标准条件下反应,并使用10当量的甲醇,分别获得38%收率的甲酯5i,26%收率的去甲硅烷基化产物6i以及微量的目标产物2i。同时,7a在标准条件下反应,仅获得61%收率的二酮产物8a,从而表明第一步中的Rh卡宾不利于CO的插入(Scheme 2b)。

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  根据上述实验,作者提出了一种可能的反应机理(Scheme 3)。首先,催化剂Rh(I)与富电子三键配位,然后受到N-氧化物的亲核进攻,形成Rh(I)-卡宾中间体B,同时,底物与吡啶N-氧化物之间的空间和电子效应都可完全抑制氧化副产物B'的生成。其次,铑卡宾中间体B从苄基位置迁移至甲硅烷基的α-位,得到中间体C。紧接着,经CO配位和插入,得到甲硅烷基乙烯酮E,同时解离和再生Rh(I)-催化剂。随后,E的6π电环化得到中间体F,经1,5-H迁移,得到环己二烯酮G。最后,芳香化可能经历两种途径,即通过1,3-H迁移得到动力学目标产物(path A),而在较高温度下发生1,3-Si迁移得到热力学稳定的副产物I(path B)。此外,甲硅烷基的空间位阻效应,可避免2-溴吡啶N-氧化物再次对卡宾碳的影响,成功地防止了从C到二酮C'的二次氧化。

  

  (图片来源:J. Am. Chem. Soc.)

  总结:华东师范大学姜雪峰教授课题组报道了一种 Rh(I)- 催化卡宾迁移/羰基化/环化串联反应的策略,可轻松构建全取代的芳炔前体,并在有机光电材料合成中具有巨大的潜力。值得注意的是,炔烃上的甲硅烷基的空间和超共轭效应,对于串联过程中控制CO选择性的插入(通过阻止卡宾中间体的氧化)至关重要。

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