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. 从天然物中间体中创造多样性候选药物
  2. (-)-AlotaketalsA–D和(-)-Phorbaket…
  3. 不稳定碳氢化合物[5]轴烯的合成和性质
  4. 越热越环保的太阳能空调
  5. 往期回顾 日本化学界卓越研究成果汇总
  6. 「Spotlight Research」一锅法简便合成有机半导体…
  7. 合成分子级“骰子”!
  8. 氮氧化物合成的最前线:低温合成法的开发

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

PAGE TOP