研究论文介绍

激发态钯催化的Mizoroki-Heck反应方法学研究

本文作者:自由基先生

导读

近日,New York大学的M. Ngai课题组在J. Am.Chem. Soc.中发表论文,报道首例通过激发态Pd催化的1-溴代糖类分子 (1-bromosugar)与烯基化合物之间的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应方法学,进而成功实现一系列糖类化合物的C2-烯基化。这一全新的自由基迁移Mizoroki-Heck反应策略具有优良的官能团兼容性以及良好的合成应用价值等优势。

Excited-State Palladium-Catalyzed Radical Migratory Mizoroki-Heck Reaction Enables C2-Alkenylation of Carbohydrates, W. Yao, G. Zhao, Y. Wu, L. Zhou, U. Mukherjee, P. Liu, M. Ngai, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3353. doi: 10.1021/jacs.1c13299.

正文

在当代有机合成化学研究中,成功实现一系列拟糖物 (glycomimetic)分子的构建,仍面临诸多挑战 (Figure 1A)[1]-[2]。这里,受到通过激发态钯[3]催化剂参与的1,5-、1,6-以及1,7-RMMH (radical migratory Mizoroki-Heck)反应方法学 (Figure 1B)[4]以及Giese团队对于1-糖基自由基 (1-glycosyl radical)经历1,2-CSC (spin-center shift),同时伴随酰氧基迁移过程,形成deoxypyranosan-2-yl自由基[5]相关研究报道的启发,M. Ngai研究团队成功设计出首例通过激发态Pd催化的1-溴代糖类分子 (1-bromosugar)与烯基化合物之间的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应方法学,进而成功实现一系列糖类化合物的C2-烯基化。

首先,作者采用1-葡萄糖基溴 (1-glucosyl bromide)1a与苯乙烯2a作为模型底物,进行相关反应条件的优化筛选 (Table 1)。进而确定最佳的反应条件为:采用Pd(PPh3)4作为催化剂,XantPhos作为配体,K3PO4作为碱,苯作为反应溶剂,反应温度为90 oC,在34W蓝光LED辐射存在的条件下,最终以83%的反应收率获得相应的C2-烯基化产物 3a (ax:eq = 4.2:1)。

在上述的最佳反应条件下,作者进一步对一系列烯基底物以及1-溴代糖类底物 (Table 2)的应用范围进行如下考察。

之后,该小组通过如下的一系列研究进一步表明,这一全新的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应策略具有潜在的合成应用价值 (Table 3-4)。

接下来,作者通过Stern-Volmer荧光猝灭实验 (Stern-Volmer luminescence quenching experiment)研究表明,1-溴代糖分子对于激发态Pd催化剂的猝灭更为有效 (Figure S2)。之后,作者通过相关的自由基捕获实验 (Figures 2A)发现,反应过程中涉及1-glycosyl 自由基中间体的形成。同时,该小组通过立体化学分析(Figures 2B)进一步表明,反应过程涉及C2-自由基的产生。之后,作者通过KIE实验发现,反应过程中存在相应的一级动力学同位素效应[6] (Figure 2C)。同时,作者通过light on/off实验 (light on/off experiment)以及量子产率 (ϕ = 0.15)的测定(Figure 2D),进一步排除相关的extended radical chain机理。并且,该小组通过DFT计算进一步发现,反应过程中,苄基自由基IV与[PdI]Br重新结合,并通过后续的β-H 消除步骤,获得产物3为能量最为有利的反应路径(Figure 2E & Figures S9−S13)。

基于上述的实验研究,作者提出如下合理的反应机理 (Figure 2F)。实现,通过[Pd0]催化剂的光激发步骤,形成激发态的[Pd0]*物种,之后通过[Pd0]*攫取1中的溴原子,形成烷基自由基/Pd(I)中间体 II,并通过构象改变(IIa),经历相关的1,2-SCS (1,2-spin-center shift)以及协同的[2,3]-酰氧基重排[7]过程 (IIb),进一步形成C2-自由基/Pd(I)中间体 III,之后经历进一步的自由基加成过程,形成中间体IV,再与[PdI]重新结合,进而经历后续的β-H消除过程,最终获得相应的目标产物 3与H[PdII]Br配合物。同时,H[PdII]Br配合物通过碱协助的HBr还原消除过程,进而实现反应活性[Pd0]催化剂的再生。

总结

New York大学的M. Ngai研究团队成功设计出首例通过激发态Pd催化的1-溴代糖类分子 (1-bromosugar)与烯基化合物之间的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应方法学,进而顺利完成一系列糖类化合物的C2-烯基化。这一全新的自由基迁移Mizoroki-Heck反应策略表现出高度的官能团兼容性、广泛的底物应用范围以及良好的合成应用价值等优势。

参考文献

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