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余志祥课题组:金属杂Claisen重排反应的发现与启发

作者:石油醚

导读:北京大学化学与分子工程学院余志祥教授课题组通过计算化学研究,在实际反应中发现了第一例金属杂Claisen重排反应,这是对[3, 3]-σ重排基元反应的重要拓展。作者希望这个发现可以启发科学家将该基元反应应用于未来的新反应设计中。同时建议将金属杂Claisen重排反应和金属催化的 [4 + 2] 反应作为大学有机化学教材中的补充材料进行介绍,用以拓宽学生的视野。文章发表在德国应用化学Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e2202217654)上,该工作是在余志祥教授指导下由刘婧博士、杨昱升博士和本科生施惟明共同完成的。

Metalla-Claisen Rearrangement in Gold-Catalyzed [4 + 2] Reaction: A New Elementary Reaction Suggested for Future Reaction Design.

Jing Liu, Yusheng Yang, Weiming Shi, Zhixiang Yu*

Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e2202217654. Doi: 10.1002/anie.202217654

正文:

Claisen重排和Cope重排是[3, 3]-σ重排反应中的代表反应(1)。当重排只涉及碳原子时称作Cope重排,而对于存在氧原子的情况则称作Claisen重排(后来其概念也拓展到其他主族杂原子参加的重排反应)。Claisen重排和Cope重排分别被发现于1912年和1940年,并且由于它们具有优异的立体控制性而广泛被应用于合成之中。除此之外,Claisen重排和Cope重排也被发现于多种生物化学过程中。但是至今为止,涉及金属原子的Claisen重排即金属杂Claisen重排(中文称为金属杂克莱森重排)则鲜有报道。前人发现烯丙基烯基锌试剂可以进行锌杂Claisen重排,其它过渡金属的杂Claisen重排则只是由R. Hoffmann等人通过计算化学对铼、锇和铑的模型体系进行研究,但并没有在真实的反应上观察到这些重排过程。

1:传统Cope与Claisen重排以及金属杂Claisen重排反应(图中活化自由能等数据来自DFT计算)。图片来自Angew. Chem. Int. Ed.

北京大学化学与分子工程学院的余志祥教授课题组通过理论计算发现,Fürstner课题组在2007年发展的金催化炔-二烯 (yne-dienes)的 [4 + 2]反应过程中包含一步金杂Claisen重排(2)。作者也研究了铑催化炔-二烯的[4 + 2]反应机理,发现该反应过程并不涉及铑杂Claisen重排。主要原因是铑催化的环丙烷化能垒相较炔烃插入更高。值得注意的是,在铑催化的体系下,铑杂Claisen反应能垒依然不高,表明这类金属杂Claisen重排在未来一些新反应中可能实现(见图1以及其它的一些计算结果)。

2:金或铑催化的分子内二烯与炔的[4 + 2]反应和涉及金属杂-Claisen重排的[4 + 2]反应机理。图片来自Angew. Chem. Int. Ed.

作者还对[4 + 2]反应所涉及的金杂Claisen重排进行了深入的分析(3)。作者发现重排产物(IN4)中金和烯丙基碳原子所成的键异常长,表明这根键可能具有特殊的性质。自然键轨道(NBO)计算发现,该键的成键轨道有超过50%由金原子贡献,表明这根键可能和传统的碳-金属键具有相反的极性,即IN4可以看作是金(I)向烯丙基阳离子配位一对电子形成的中间体。作者又对重排过程进行了内禀键轨道(IBO)分析,表明金杂Claisen重排的中涉及的电子流动也包括了金的5d电子对由烯基环丙烷重排产生的烯丙基碳正离子进行的亲核进攻。综上,作者认为该金杂Claisen重排的低能垒主要来自于生成的IN4不包含强氧化性的金(III),且环丙烷开环释放张力促进了烯丙基碳正离子的形成。

3:金杂Claisen重排反应及相关中间体的波函数分析。图片来自Angew. Chem. Int. Ed.

总之,余志祥课题组通过计算化学研究,在实际反应中发现了第一例金属杂Claisen重排反应,这是对[3, 3]-σ重排基元反应的重要拓展。作者希望这个发现可以启发科学家将该基元反应应用于未来的新反应设计中。同时建议将金属杂Claisen重排反应和金属催化的 [4 + 2] 反应作为大学有机化学教材中的补充材料进行介绍,用以拓宽学生的视野。在本研究中,作者还对金催化的 [4 + 2] 反应的取代基效应和底物中桥联原子等对反应成败的影响进行深入讨论,这些结论对未来设计相关金属催化的环加成反应等提供借鉴与指导。

本工作是在余志祥教授指导下,由课题组的刘婧博士、杨昱升博士和本科生施惟明共同完成的。该项目得到了基金委重点项目《金属催化环加成反应机理研究和反应发展》(21933003)和北京大学高性能计算平台的大力支持。文章发表在德国应用化学Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e2202217654.论文链接:https://dx.doi.org/10.1002/anie.202217654)上。

 

课题组长介绍

余志祥, 北京大学化学院教授。

教育背景

  • 1987-1991,武汉大学,学士;
  • 1994-1997,北京大学,硕士;
  • 1997-2001,香港科技大学,博士;
  • 2001-2004,加州大学洛杉矶分校,博士后;
  • 2004-2008,北京大学,副教授,博导,理论和合成有机化学课题组组长;
  • 2008-现在,北京大学,教授,博导,理论和合成有机化学课题组组长;
  • 余志祥教授目前也是中国人民大学化学系兼职教授。

研究方向

余志祥教授主要从事于将理论计算和有机合成相结合来研究有机化学反应机理,发展有机合成方法,并将发展的有机合成方法应用于天然产物与药物分子的合成。目前已对Lu-(3+2)环加成反应,金属催化环加成反应,卡宾的插入反应等三十多种化学反应的机理进行研究; 从理论和实验上发现和验证了[1,2]-质子迁移过程需要水和其它质子给体作为催化剂的重要现象;提出一种新的半定量的前线分子轨道方法来半定量地计算反应的活化能以及分子的亲核性和亲电性; 发展了合成不同环系的[3+2],[5+1], [3+2+1],[4+2+1],[7+1],[5+2+1]等成环反应并将其中的一些反应用于多个天然产物的合成。

获得奖励

余志祥教授获得的主要荣誉有:

  1. 药明康德生命化学研究奖-学者奖,2018;
  2. 北京大学拜尔研究者奖,2018;
  3. 教育部长江学者,2015;
  4. 全国百篇优秀博士论文指导导师,2012;
  5. 中国化学会-Sci-Finder有机合成创造奖,2011;
  6. 中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖,2011;
  7. 中国化学会-物理有机化学奖,2011;
  8. 国家杰出青年基金获得者,2008。

 

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