环丁烷是一类具有的四员环构造的化合物。作为天然物以及医药品的部分结构，也是很多合成化学的中间体[1]。
构造其结构的代表方法之一就是[2+2]环化加成反应（图1）. [2+2]环化加成反应是加热阻禁的，只有在Lewis酸 催化[2]或过渡金属催化[3]下才能进行。与此相对，[2+2]光环化加成反应对条件宽松很多，如周环化反应、光催化、Lewis酸催化下相关反应的研究[4]进展很快。到目前为止，使用热或光条件下，达成高位置、立体选择性反应的报告相继被提出。
图1 通过 [2+2]环化加成反应合成环己烷环丁烷等
最近，美国普林斯顿大学的Chirik等人，通过设计出合理的铁催化剂进而实现了非活性烯烃分子间的[2+2]环化附加反应，达成了1,2-以及1,3-二取代环丁烷的位置选择、立体选择性合成。此论文发表于科学杂志上。
“Iron-catalyzed intermolecular [2+2] cycloadditions of unactivated alkenes”
Hoyt, J. M.; Schmidt, V. A.; Tondreau, A. M.; Chirik, P. J.;Science 2015, 349, 960. DOI: 10.1126/science.aac7440
本期就来介绍一次这篇论文。
Homo[2+2]环化附加反应
至今为止Chirik等人利用拥有螯合型3齿配体的双（氨基）吡啶bis(imino)pyridine（PDI）的铁催化络合物催化了α,ω-双烯的分子内[2+2]环化加成反应，最后生成了环丁烷[5]。此反应中，PDI配体的氧化还原性促进了高氧化状态的三价铁形成金属环状物以及还原消除（图2）。
图2 [2+2]环化加成反应中PDI配体的特点
- 所持取代基不会发生转移氢化
- 不形成空配体座以此抑制β氢消除
- 利用立体较大的配体促进还原消除
使用第一代催化剂(iPrPDI)Fe(N2)时，配体的Ar取代基由iPr基向反应物发生转移氢化，使烯烃的氢化和催化性失活。将iPr基换成Me基之后，使用(MePDI)Fe(N2)（①）配体后有效抑制了转移氢化，但是由于β氢消除与还原消除的竞争反应，生成了链状tail-to-tail二聚体副产物等问题。而在将(MePDI)Fe(N2)的亚胺上的Me基换为Et基后的络合物1（①、②）、以及iPrPDI)Fe(N2)的Ar基上的iPr基换位环戊烷基也就是络合物2（①、③），利用这些配体都可以生成高位置、立体选择性的目标产物trans-1,2-二置换环己烷。从反应后只剩余了的底物上的烯烃和生成物环丁烷这一点可以推测，此反应可能是常量合成。
图3 各催化中的催化机理
杂环[2+2]环化加成反应
之后Chirik等人开发了使用PDI铁络合物，实现双烯和烯烃的杂环[2+2]环化加成反应。此反应与homo[2+2]环化加成反应的反应机理不同，双烯与铁原子中心的η4位上配位后，烯烃插入，生成的金属环化物通过还原消除生成了cis-1,3-二置换环己烷（图 4）。虽然作者于2011年发表了利用(MePDI)Fe(N2)， 使丁二烯和乙烯通过杂环[2+2]环化加成反应合成乙烯基环丙烯聚体[6]，但是对于 体积大的双烯，会发生因β氢消除得到链状化合物以及反应难以进行的问题。此外，对homo[2+2]环化加成反应有效的催化剂1和2在此反应也难以发挥作用，体积大的双烯如月桂烯和1-己烯会因β氢消除进而发生hydrovinylation。于是，笔者设计了能强效抑制β氢消除反应的配体铁络合物4。使用络合物4时能有效抑制因β氢消除而生成的副产物，同时对于月桂稀等多样的烯烃均可实现通过[2+2]环化加成反应，得到高位置、非对映异构体选择性产物。
图4 利用PDI铁触媒实现杂化[2+2]环化加成反应
小结
此次Chirik等人通过设计出新型铁络合物配体，实现了以非活性烯烃为底物的位置、立体选择性合成1,2-和1,3-二取代环己烷的方法。此法不仅可大量生产，而且使用了原料便宜的乙烯、丙烯在常温或neat等较为简单的条件下合成环己烷，也是工业生产多期待的。也期待今后，能通过对配体的设计，对更广泛的底物加以利用，期待此方法能成为未来合成环己烷的一般方法之一。
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参考文献
- Xu, Y.; Conner, M. L.; Brown, M. K. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 11918. DOI: 10.1002/anie.201502815
- Conner, M. L.; Xu, Y.; Brown, M. K. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3482. DOI:10.1021/jacs.5b00563
- Fan, B.-M.; Li, X.-J.; Peng, F.-Z.; Zhang, H.-B.; Chan, A. S. C.; Shao, Z.-H. Org. Lett. 2010, 12, 304. DOI: 10.1021/ol902574c
- Du, J.; Skubi, K. L.; Schultz, D. M.; Yoon, T. P. Science 2014, 344, 392. DOI:10.1126/science.1251511
- Bouwkamp, M. W.; Bowman, A. C.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13340. DOI:10.1021/ja064711u
- Russell, S. K.; Lobkovsky, E.; Chirik, P. J. J. Am. Chem. Soc 2011, 133, 8858. DOI: 10.1021/ja202992p
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