研究论文介绍

“动态的”化学选择性催化胺基化

近年来,通过金属催化剂(Mn, Co, Rh, Ir, Ag等)形成卡宾,氮宾中间体进行的C–H键活化反应成为研究的热点。随着研究的逐渐展开深入,普通的C–H插入已经变得十分普遍,而挑战更高难度的比如高不对称选择性C–H键活化,尤其是化学选择性、区域选择性反应已经成为未来研究的主要方向。今天,小编在这里给大家介绍一篇有点老的2013年的论文,作者利用配体的个数来控制化学选择性,这一个概念小编个人认为是十分有意思的。
Jared W. Rigoli, Cale D. Weatherly, Juliet M. Alderson, Brian T. Vo, and Jennifer M. Schomaker*
Department of Chemistry, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, United States
J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (46), pp 17238–17241. DOI: 10.1021/ja406654y

碳氢插入的分类介绍

而对于C–H键活化反应来说,大致分为两类,一类是”inner-sphere”型的,顾名思义,如下图中所示的金属催化剂是插入底物分子中的,而这类反应的话其实不是特别多,小编给出了1998年science上的一个小例子供大家参考。
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而另一类则是相对的”Outer-sphere”型的反应,而目前所报道的很多氮宾类插入反应都属于此类反应(下图所示)。这类反应又根据形成的氮宾或者卡宾是单线态还是三线态而分为两种机理模式,在单线态的反应机理中,一般被认为反应是协同的一步反应(最下图左侧Rh催化的协同C–H插入反应)。而三线态氮宾的机理则是自由基模式的,是分步进行的,该类反应大多数形成的都是消旋产物,所以选择性很难控制(下图Ru催化的自由基机理的插入反应)。
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金属与配体的当量比决定了化学选择性

 

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这篇文章的作者发现,以双烯位底物,Ag催化下进行分子内胺基化反应的时候,随着银催化剂的当量与配体的不同,生成的产物的选择性也发生变化。由上图中我们发现,当AgOTf/Phen在1:1.25的时候,反应主要进行的氮丙环,而反之,当当AgOTf/Phen比超过1:2的情况下,反应选择性发生逆转,主要生成了C–H键插入的产物。在这里小编大概介绍一下自己的一些对卡宾或者氮宾的C–H插入的认识,一般来说,C–H键插入反应受到两方面因素的影响,一个就是电子效应,一个就是立体位阻;首先大家都知道卡宾或者氮宾中间体是缺电子的,所以往往也很容易进行环丙烷化,而又由于立体位阻的影响,环丙烷化会受到很大的限制,这个时候就会与烯丙基的C–H插入形成一个竞争关系,具体的特征性机理还没有完全被解析明白,现在的情况只能是具体实例具体分析。所以这篇文章中,通过调节金属与配体的当量配比来实现选择性扭转,小编认为是一个十分新颖有趣的发现。

机理解析-检验是否是自由基反应

 

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小编在开头也介绍到了在C-H插入 “Outer-sphere”型的反应中,反应有两种模式,一种是协同的,一种是自由基反应。一般在这种文章中,都会验证下到底是哪一种,所以本文中作者也做了一个验证(上图),其中BHT的话是一种自由基捕获剂,经常是用于阻碍自由基反应的。在上图所示的两个手性底物中,在进行C-H插入反应后,都没有得到消旋产物;并且,在加入BHT自由基捕获剂的情况下,产物也没有任何影响。
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同时,作者还利用radical clock substrate进行了再一次验证,发现两个条件都没有得到自由基反应形成的烯烃,当然文中还用氘代KIE分析,从三个侧面了解到该反应是一个协同的C-H插入反应,排除了自由基机理的可能。

假定机理介绍-还是位阻

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上图是该反应可能的机理,整个反应主要是被认为还是位阻控制,在Ag与配体1:1的情况下,由于位阻比较小,所以氮宾还是倾向与更加富电子的双键进行反应形成氮丙烷,而在Ag与配体1:2的情况下,由于位阻效应,氮宾中心倾向与其更接近的烯丙基C–H键进行插入反应,形成五元环。
作者在本文的SI中,也阐述了他用PGSE 法 and MALDI-MS 联用在溶液中进行的这两个类型的催化剂的捕捉实验,这里就不一一赘述了。

读后感

现在C–H键活化研究已经没有前几年那么容易发好文章了,而目前区域选择性的C–H键活化还主要停留在导向基的帮助下,大多都是底物控制的选择性反应,或者就是利用催化剂配体的立体位阻来强制进行的选择性反应。小编认为这都不是特别漂亮的工作,如果对于分子间反应来说,能够设计一种催化剂,利用催化剂配体与底物之间形成氢键或者halogen键,进而实现区域或者化学选择性尤其是sp3C–H活化的话,那么将是一个改变世界的工作。我也相信很多人都在往哪个方向努力。

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京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。
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