研究论文介绍

光催化剂催化的自由基机理的氧化[1,2]-Brook重排反应

本文投稿作者孙苏赟

在上世纪50年代,Brook发现了分子内的阳离子和硅基参与迁移生成硅醚的反应,命名为Brook重排反应,如Figure 1[1,2],反应中是发生了硅被亲核的氧进攻生成了Si-O键,一般来讲,Brook重排是通过离子机理进行的。

Figure 1 离子机理的Brook重排和一个实例

来自美国宾州大学的Amos B. Smith团队最近在JACS 上报道一种自由基机理/SET(single electron transfer)通过生成超价硅类化合物的Brook重排反应,但是这个反应并并没有在合成中常用[3]

Oxidative [1,2]-Brook Rearrangements Exploiting Single-Electron Transfer: Photoredox-Catalyzed Alkylations and Arylations

Yifan Deng, Qi Liu, and Amos B. SmithIII

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (28), pp 9487–9490, DOI:10.1021/jacs.7b05165)

 

SCHEME 1

通常来讲,有机硅的化合物因具有很高的氧化电位而难在反应中被氧化,但是当引入一种性质温和光催化氧化还原反应的催化剂时,就可以生成超价的硅化合物,而这个化合物是可以潜在地转化生成自由基的(如Scheme 2所示)。

SCHEME 2

 

本文报道的是合成一种新型的五配位的硅化合物。并且Amos B. Smith团队预测到,通过原位的Brook重排和后续的在光氧化还原催化剂催化下进行C-Si键的SET解生成生五配位的硅化合,这个过程中可以说生成α-羟基自由基。如果要使得氧化的[1,2]-Brook重排可以发生,那么需要满足:A.光催化剂激发态的还原电势需要足够大,以至于可以破坏C-Si键;B. 当硅原子上连有四个取代基的时候,C-Si键必须选择性断裂生成烷基自由基。

SCHEME 3

 

从机理上做出的假设:醇失去质子形成三元环A并达到平衡,而A可以进一步在Ir催化剂的作用下被氧化为自由基B,之后B发生共轭加成生成C(Scheme 3a),C再通过电子转移和质子化生成D,同时光催化剂变成基态。此外,Ir(III)试剂被还原成Ir(IV),而芳烃类化合物被氧化化为自由基负离子E,这里假设Ir(IV)可以将A氧化生成高价的中间体B ,EB结合脱去一个氰离子生成芳基化的F

TABLE 3

 

为了验证反应机理,先选用甲基乙烯基酮2a和TBS作为硅基的底物1b,其中酮是自由基的受体,实验发现以PivOK和DCE为最佳条件,产率38%,反应中光催化剂Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbpy)PF6的浓度是3 mol%,而其他的催化剂效果都不好。反应的溶剂对反应的影响非常大,例如丙酮和乙腈中不发生反应,强碱则会导致发生碱催化的Brook重排反应,而碱性较弱的碱则会使得转化率降低。最佳配比是PivOK/AcOSc=1:1和1b/2a=1:2 equiv. 而当反应在较高浓度(2.5 M)和0.5 mmol规模下反应时,2a可以减少到1 equiv. 使得产率到72%。

SCHEME 4

 

下面是测试不同烷基硅的不同结果,最初是使用芳基(三烷基)-甲醇(1a-1e)作为反应底物,硅基使用的是TMS,TES,TBS和TIPS,他们的产率都大于70%,这表明硅上的位阻不会影响反应的发生。大体上来看,含有TES和TBS的底物会比对应的TMS的底物的产率要高,这可能是因为TES和TBS的底物中C-Si键比较稳定。当底物换成含有DMPS(3d)时,产率就较低了(56%),此而且苯基的吸电效应也不利于反应的进行。此外芳环上不同的取代基也会影响反应,供电基团(EDG)会导致较高的产率(3f-3k),卤原子的效果也不错(3l-3n),然而强烈吸电的三氟甲基就会不利于反应的产率(3o);位阻较大的o-取代苯的产率也不错(3j, 67%);五元芳环作为取代基也可以得到较高的产率(3p-3q)。我们总结认为3q的产率降低的原因是可能是生成1q时发生了分解作用。最后,可以进行较规模合成的是1f,Ir催化剂的浓度为2 mol%,反应浓度1.0 M。

SCHEME 5

 

接下来是对于自由基受体烷基酮和芳基酮的测试(2b-2k)。体积较大的基团不会影响反应的活性,可以得到较高产率的产物(4b-4c);具有远程的OTBS基团的酮2d也可以较好的参与反应,因此可以利用到合成的反应中去。芳基酮通常会比烷基酮的效果好,芳环上不同的官能团(2e-2i)的效果不同,电子效应和位阻效应都不会影响反应的活性。但是,1-/2-取代酮(2k,2j)表明酮的电子效应和位阻效应会显著的影响反应的进行,产率会大大降低,但是譬如具有吸点基团的2k就会得到很高的产率。但是丙烯酸盐只能得到痕量的产物,这可能是因为其产物和α-羰基自由基的结合非常困难。当有苯基引入到α-位时,烷基化的产物4l的产率会达到86%。

TABLE 2

 

以上确定了最有利的反应底物之后,接下来是探索反应的历程是否是SET过程(Scheme 3b),其中认为B可以参与催化循环,因此芳基化反应可以发生。Amos B. Smith团队选择了1b作为反应底物,5a作为自由基受体,反应中还使用了辛酸,这有利于氰根离子的产生。起初是DCE作为反应介质,同时加入1 equiv. AcOCs作为碱,此时产物非常少。溶剂会显著地影响反应的进行,极性溶剂例如DMF,DMA可以得到很好的效果(Entry 2-3);由于持久自由基效应,自由基前驱体1b可以加速反应的进行;因此,加速产生1b是增大转化率的有效方法。当调整碱的用量时发现,使用化学计量的碱依旧会得到相似的产率(Entry 5),最终,3equiv. 的1b可以得到6a,分离产率为83%(Entry 6)。

SCHEME 6

 

基于上述的反应条件,接下来是结构对于反应的影响,Scheme 6中,含有EDG和EWG的底物的产率都不错(6a-6e, 66-85%),呋喃和噻吩作为取代基时产率较高(6f-6g);将TMS换成TES发生的反应类似,而6h的产率则较低,因为发生了脱硅反应。取代的芳香取代基会得到类似的产率(7a-7c),而苯乙腈和砜、酯可以发生这个反应,但是产率较低(7d-7e)。

SCHEME 7

 

为了进行反应机理的研究,探究反应是否是光化学的氧化还原的Brook重排反应,先使用TEMPO作为自由基淬灭剂,和底物1b反应,加合产物9分离产率为42%,同时3b的产率降低到了16%。此外反应还需要碱、光和光催化剂参与,没有光或者光催化剂,反应的原料基本不变,同时如果碱不加入到反应体系中,那么只有痕量的3b生成,而由于过度氧化而生成苯甲酸酯类化合物,1b的而转化率会达到55%。

 

基于以上的结论,反应中可能发生了质子伴随的电子转移过程(PCET, proton-coupled electron transfer)引起的O-H活化过程4,之后是自由基机理的Brook重排反应得到苄自由基。反应动力学研究表明,虽然随着反应的进行阴离子的碱性会减弱,但是使用高活性的光催化剂并不可以进行补偿。此外,循环伏安曲线表明在测试范围(0-2.00 V vs SCE in MeCN)内,1b不具有氧化电势;并且,当时AcOCs存在时,会存在有氧化电势(E1/2o=0.78V vs SCE in MeCN),这表明碱的必要性。最后,当使用较弱的碱比如BzOCs时,氧化电势也是相似的,这些表明PCET模型是不太可能的。

 

参考文献

  1. Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis, LászlóKürti and Barbara Czakó,  pp 64-65
  2. Org. Lett., 2002, 4, 1981-1984, doi: 10.1021/ol025729m
  3. J. Org. Chem., 2000, 65, 2292, doi: 10.1021/jo9912855
  4. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10794, doi: 10.1021/jacs.6b06517

本文版权属于 Chem-Station化学空间, 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

The following two tabs change content below.

Peng Li

Latest posts by Peng Li (see all)

Related post

  1. 「Spotlight Research」一锅法简便合成有机半导体…
  2. 联烯串联反应合成二奎烷和三奎烷
  3. Madangamine A, C, E的全合成
  4. Nature. 3级C-H键的选择性催化不对称卡宾插入反应
  5. NMR Chemical Shifts——溶剂的NMR相关论文
  6. 双重质子转移的近红外ESDPT分子
  7. J. Am. Chem. Soc. [5 + 1]环化催化合成有…
  8. 给分子做手术–C70中内包水分子

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP