热点研究

「Spotlight Research」高价钯介导的Wacker反应

作者:石油醚

本期热点研究,我们邀请到了本文第一作者,来自洛桑联邦理工学院的冯强博士为我们分享。

2023年3月31日,Science在线发表了来自瑞士洛桑联邦理工学院祝介平(Jieping Zhu教授课题组题为「Oxidative rearrangement of 1,1-disubstituted alkenes to ketones」的研究论文。祝介平教授小组基于高价钯化学,利用合适的氧化剂,把Wacker-type氧化反应体系从经典的“Pd(II)/Pd(0)循环化学”转移到“Pd(II)/Pd(IV)循环化学”上来,使得碳迁移过程能够顺利发生,从而实现了一般1,1-二取代烯烃的Wacker-type氧化反应。该反应填补了半个多世纪以来Wacker-type氧化过程在一般1,1-二取代烯烃高效转化的空缺,同时,作为一个基础型反应,它将成为有机合成工具箱里一种非常有效可靠的策略。

“Oxidative rearrangement of 1,1-disubstituted alkenes to ketones

Qiang Feng, Qian Wang, Jieping Zhu*

Science, 2023, 379, 1363-1368. DOI: 10.1126/science.adg3182

Q1. 请对Oxidative rearrangement of 1,1-disubstituted alkenes to ketones”作一个简单介绍。

Wacker-type氧化反应是金属有机化学反应中的一个经典反应,它对有机化学以及有机合成工业的发展具有十分深远的意义。最经典的Wacker-type氧化反应是将单取代末端烯烃转化成甲基酮或者醛。此外,1,2-二取代烯烃的Wacker-type氧化反应也有较多的研究。相比而言,“1,1-二取代烯烃”的Wacker-type氧化反应却鲜有报道。与经典Wacker反应最常用的单取代烯烃或者1,2-二取代烯烃不同,1,1-二取代烯烃在双键进行马氏规则的羟基-钯金属加成之后,无法通过β-氢消除或者氢迁移过程生成最终的酮产物。如果将1,1-二取代烯烃转化为相对应的重排的酮,那么反应可能需要经历碳迁移过程如半频哪醇重排或者dyotropic重排过程。值得一提的是,在已有报道中,特殊的亚甲基环丁烷由于环张力的作用使得其容易发生半频哪醇重排而转化为相对应重排的环戊酮。然而,对于一般1,1-二取代烯烃而言,在经典的“Pd(II)/Pd(0)”催化体系中,半频哪醇重排是不容易发生的。针对这些科学问题,我们基于高价钯化学,利用合适的氧化剂,把Wacker-type氧化反应体系从经典的“Pd(II)/Pd(0)循环化学”转移到“Pd(II)/Pd(IV)循环化学”上来,使得碳迁移过程能够顺利发生,从而实现了一般1,1-二取代烯烃的Wacker-type氧化反应。该反应填补了半个多世纪以来Wacker-type氧化过程在“一般1,1-二取代烯烃”高效转化的空缺,同时,作为一个基础型反应,它将成为有机合成工具箱里一种非常有效可靠的策略。

Q2. 有关本次研究的时候遇到过怎样的困难呢?又是怎样克服的呢

祝老师课题组之前开创性地发现了高价钯介导的dyotropic重排反应(见Cao, J.; Wu, H.; Wang, Q.; Zhu, J. Nat. Chem. 2021, 13, 671−676)。基于这个反应的发现,一开始,我们的研究是以实现钯催化的分子内Wacker-type过程、高价钯介导的dyotropic重排过程的串联反应为目标的。对于有机合成方法学而言,有时候目标产物的产率从无到有是一个最艰难的过程,我们就经历了一个艰难的探索时期。研究的前期,我们对很多不同类型的底物(尤其基于氮亲核试剂的底物)进行了分子内反应的研究。但是得到的实验结果并不能直接证明我们的猜想。经过和祝老师讨论,我们仍然坚持我们的设想是可以实现的。之后在更多的探索中发现,其中一个反应产生了水参与反应的意料之外的少量副产物。对于这个结果,我们想通过控制水的量来进一步提高水参与的副产物的产率。令我们惊喜的是,反应最终得到了较高产率的重排的酮。我们敏锐地抓住了这种不常见的碳迁移的重排现象,并认为是高价钯(IV)使得这种不常见的碳迁移发生了。由于这个发现,我们进一步深入地、全面地研究这个反应。最终,突破性地实现了一般1,1-二取代烯烃的Wacker-type氧化反应。

Q3. 本次研究主体,有没有什么让您感觉特别辛苦和烧脑呢?

除了研究的前期探索,由于我们对该类反应的设计合理性以及对课题的准确把握,整体而言,研究过程还是相对顺利的。

Q4. 来想继续研究化学的哪个方向呢?

对于将来想从事的化学研究,我想在继续从事新型有机合成方法学研究的基础上,进一步做一些新型功能材料如有机光电材料等的合成及其应用。

Q5. 最后,有什么想对各位读者说的吗?

一位好朋友说过的两句话让我印象特别深刻,送给各位读者朋友们:1. 兴趣是最好的导师。2. 脚踏实地,行稳致远。

作者教育背景简介

教育背景:

2011.06 华中科技大学同济药学院,学士

2015.06华侨大学化学与化工学院,硕士, 导师: 宋秋玲 教授

2021.01香港科技大学化学系, 博士, 导师: 孙建伟 教授

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