铁催化导向碳氢官能团化 Iron-Catalyzed C-H Functionalization

偶联反应

铁催化导向碳氢官能团化 Iron-Catalyzed C-H Functionalization

概要

过渡金属催化的导向碳氢键官能化反应由于其步骤经济性以及碳氢键在有机分子中的普遍存在的特性，展示出了广阔的应用前景。导向的直接碳氢键官能化主要通过环金属化的金属有机中间体进行，虽然环金属化反应多报道于后过渡金属，但是含有Csp²-铁和Csp³-铁键的铁碳环金属有机化合物也有过报道。E. Nakamura等人首次发现通过生成铁碳环中间体可以实现杂原子导向的C-H活化C-C键生成反应[1, 2]。铁作为地壳中储量最大的过渡金属元素，由于其大储量以及廉价无毒的特性，铁催化作为一种环境友好且可持续的催化剂[3, 4]，在碳氢键活化中的运用近年开始受到了广泛的关注。目前该反应已经拓展到Csp²-H以及Csp³-H与亲核试剂以及亲电试剂[6, 7]的反应，展示出了潜在的发展潜力和应用前景。

基本文献

[1] Norinder, J.; Matsumoto, A.; Yoshikai, N.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5858. DOI: 10.1021/ja800818b
[2] Yoshikai, N.; Matsumoto, A.; Norinder, J.; Nakamura, E. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 2925. DOI: 10.1002/anie.200900454
[3] Nakamura, E.; Yoshikai, N. J. Org. Chem. 2010, 75, 6061. DOI: 10.1021/jo100693m

反应机理

该类型的铁催化导向碳氢官能化反应与以往的很多自由基类型的铁催化反应不同，该类铁催化的碳氢键活化是通过与贵金属Pd，Rh等类似的环金属化（cyclometallation）中间体进行。反应涉及到铁碳环的生成，以及铁碳环参与的还原消除或者氧化加成反应。由于铁金属有机中间体在分离上的困难，目前该反应的机理并不是十分明确。研究指出针对具体的情况“还原的低价铁”以及三价铁都可以作为活化碳氢键的活性物种。反应中活化碳氢键所使用的碱目前主要依赖于金属有机试剂这一类强碱。1，2-二氯代烷烃常作为该反应中氧化铁催化剂的氧化剂。

反应实例

铁催化的氮原子导向的直接碳氢键芳基化反应[1]

铁催化的非自由基C(sp³)-H直接芳基化[5]

铁催化的直接碳氢活化烯丙基化(与亲电试剂直接偶联)[7]

实验步骤

以反应实例1为例。在零度的冰水浴中，在惰气保护下，往0毫摩尔的反应物的无水无氧四氢呋喃溶液中加入乙酰丙酮铁以及配体，得到反应物和催化剂的混合物。在另一个Schlenk反应管中将格式试剂与锌盐混合并搅拌20分钟。将预先混合的催化剂和底物的混合溶液转移到制备的锌试剂溶液中。最后往该反应混合物中加入1，2-二氯异丁烷，然后在冰水浴中搅拌16小时。反应结束后，通过加入酒石酸钠钾的饱和水溶液淬灭反应。通过柱层析分离得到反应产物。

实验技巧

由于该类反应使用到金属有机试剂，如格氏试剂和锌试剂，反应对于溶剂的干燥程度要求比较高。使用新制的金属有机试剂是更佳的选择，这是由于久置的金属有机试剂往往由于保管不当而含有金属氢氧化物，这会抑制铁催化剂的活性。

参考文献

[4] Ilies, L.; Nakamura, E. Iron-Catalyzed Cross-Coupling Reactions, in The Chemistry of Organoiron Compounds; Eds. Marek, I.; Rappoport, Z.; John Wiley & Sons, Ltd.: Chichester, UK, 2014.
[5] Shang, R.; Ilies, L.; Matsumoto, A.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6030. DOI: 10.1021/ja402806f
[6] Matsubara, T.; Asako, S.; Ilies, L.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 646. DOI: 10.1021/ja412521k
[7] Asako, S.; Ilies, L.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17755. DOI: 10.1021/ja4106368