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有机合成中的三股非常规力量(下)机械

本文作者:芃洋雪

国际纯粹与应用化学联合会IUPAC将机械化学Machanochemistry反应命名为“直接吸收机械能量介导的化学反应”。这个领域历史悠久,充满有趣的故事,早在公元前315年,古希腊人就从HgS中用机械化学制造Hg。现在,合成化学家可以主动用机械化学制备化合物,挑战化学转化反应。随着固体反应混合物的反应可以用粉末XRD和拉曼光谱监控,化学家们对机械化学规律或机理的理解层层加深。以下是几个通过机械化学的合成案例。

活化“惰性”分子

机械化学的价值之一可以激活常规合成方式难以活化的分子。而且,这个技术可以用来制备或分离在溶液中太活泼的化合物。

合成挑战性分子

2016年之前,虽有一些N-烷基取代的金刚烷类P4N6-环磷腈类被合成出来,但N-叔丁基磷腈42一直是常规合成无法完成的任务。即使加强反应条件,如延长反应时间至24天,或在溶剂(甲苯、DMF、乙醚、THF)中回流都不能将41转化为目标产物42。令人惊奇的是将LiCl(20%)和41一起球磨90min可以定量转化为42,其中LiCl的用量是关键,减少至10%不生成产物,提高至30%仅有30%转化率[1]

图a. 化合物41和LiCl一起研磨生成大位阻的磷腈42. 图片来源:Nature Reviews Chemistry

分离活性分子

苯胺和双(1-苯并三唑基)甲烷硫酮43在溶液中生成芳基异硫腈46,可能通过关键中间体N-硫羰基苯基三唑44,其活性较高,芳基N-硫代氨甲酰基三唑不能通过常规手段分离。然而,将43在溶液辅助下研磨,可以几乎定量转化为44。在Na2CO3中继续研磨,44转化为N,N-二芳基硫脲47[2]。固体状态的44可以稳定存在数年之久,但在溶液中立刻反应[3]

图b. 机械化学可以分离活泼的N-芳基硫羰基苯并三唑类化合物44,它在溶液中为过渡态.

图片来源:Nature Reviews Chemistry

激活不活泼的分子

贵金属一般化学性质不活泼,抗氧化和腐蚀能力强。只有在剧烈条件如高温,强酸,卤素等条件下才能转化为高附加值的衍生物,从绿色化学的观点看,这些条件一点都不环保。然而,把它和廉价的盐以及Oxane一起球磨可以激活Pd,在室温下无溶剂条件中一步氧化为可溶性的衍生物,这种方法可以推广至溴化物、碘化物,以及Au、Pt等金属。进而,将(NH4)2[Pd]和配体前体一起球磨,可以生成常见的Pd催化剂如图c所示[4]。这种方法还可以回收利用从黑色钯废弃物中回收多至89%的Pd,而且避免使用强酸。

图c. 温和条件下,机械化学可以把贵金属可以氧化为更具有合成价值的单价或二价络合物.

图片来源:Nature Reviews Chemistry

影响催化效果和选择性

尽管机械化学诱导化学反应是典型的外部刺激,但这种分子内机械力同样会影响到合成的结果。如考虑到应用动力学影响的“可切换”催化,在Pd催化的不对称Mizoroki-Heck偶联反应中,应用到了一个大坏轴手性二膦化合物48,它具有光切换的1,1′-二茚满单元。Z-48光照后异构化为光稳定的立体异构体混合物,每个都有有不同的二面角φ。膦Z-48(φ=83°),可视为放大版MeOBiphep的类似物,相当于130pN压缩力作用于MeOBiphep,Z-48(φ=106°),相当于148pN压缩力作用于MeOBiphep。机械力(~100pN)对Pd(OAc)2催化的2,3-二氢呋喃和PhOTf的Heck偶联反应有显著影响。不同的配体有不同的效果,如MeOBiphep转化率为23%,立体选择性ee=90%,Z-48的转化率提高至55%,立体选择性ee也提高至96%,而E-48的选择性虽大幅提高至95%,但选择性下降,ee=79%。当用365nn光下,偶联产物51的ee提高至90%[5]。这种用光化学激活48的策略也用于Pd催化的不对称Trost烯丙基烷基化反应。

图d. Pd催化的立体选择性偶联反应受到光化学导致膦配体几何结构的影响.

图片来源:Nature Reviews Chemistry

机械化学应力

为了能够将机械化学用于大规模制备和合成,使用扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM用来研究反应促进因素。例如显微镜发现硫醇亲核试剂在还原二硫键中应力起到了关键作用。 机械应力可以促进电子转移,从而改变单分子的氧化还原态。用单分子电导率实验和密度泛函理论DFTD,研究单个含二茂铁分子的氧化-还原态,可以探测机械拉伸力对于金属-配体键的影响。通过实验以明确的看到,金属-配体键的扭曲引起分子氧化还原电势的改变。特别是将化学键拉伸至铁原子,便于电子从成键轨道上移走,导致二茂铁盐更容易被氧化,带电荷的二茂铁形式比中性的二茂铁具有更大的导电能力[6]。通过实验观察,说明这些变量相互影响,如调节分子电导率,可以开发出机械控制动力响应的可切换反应体系。

图e. 向单分子施加压力可以引起二茂铁衍生物的电子转移和导电性质的转化,拉伸力更利于氧化态.

图片来源:Nature Reviews Chemistry

参考文献

  • [1] Shi, Y. X. et al. The first synthesis of the sterically encumbered adamantoid phosphazane P4(NtBu)6: enabled by mechanochemistry. AngewChem. Int. Ed. 55, 12736–12740 (2016).
  • [2] Katritzky, A. R. et al. Benzotriazole-assisted thioacylation. J. Org. Chem. 70, 7866–7881 (2005).
  • [3] Štrukil, V., Gracin, D., Magdysyuk, O. V., Dinnebier, R. E., Friščić, T. Trapping reactive intermediates by mechanochemistry: elusive aryl N-thiocarbamoylbenzotriazoles as bench-stable reagents. Angew.Chem. Int. Ed. 54, 8440–8443 (2015).
  • [4] Do, J.-L., Tan, D., Friščić, T.  Oxidative mechanochemistry: direct, room-temperature, solvent-free conversion of palladium and gold metals into soluble salts and coordination complexes. Angew.Chem. Int. Ed. 57, 2667–2671 (2018).
  • [5] Kean, Z. S. et al. Photomechanical actuation of ligand geometry in enantioselective catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 14508–14511 (2014).
  • [6] Li, Y. et al. Mechanical stretching-induced electron transfer reactions and conductance switching in single molecules. J. Am. Chem. Soc. 139, 14699–14706 (2017).

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