【Science】醛作为卡宾前体参与多种类型反应

文摘   教育   2022-08-17 18:22   德国  
瞬态高反应性中间体在有机合成中的应用备受关注,基于碳正离子、碳负离子、自由基和卡宾这四类中间体发展了千万种反应模式。如何高效“驾驭”这些活泼中间体,将其可控的用于高附加值化工产品的合成当中是有机化学家们永恒的课题。相对正离子、负离子和自由基这三大中间体,教科书上描述卡宾化学的内容相对较少。卡宾为六电子结构,在多种反应如聚合、插入反应、环丙烷化等当中都有广泛应用。羰基等吸电子稳定的卡宾目前研究较多,但烷基取代的非稳定卡宾的反应性目前仍然所知较少。近日,美国俄亥俄州立大学的David A. Nagib课题组将烷基或芳基醛作为卡宾前体,并将其用于二聚、[2+1]环化和X-H键插入反应中,拓展了卡宾化学的研究范围。

【卡宾概述】卡宾的生成主要有三种方法:①重氮化合物释放出氮气生成卡宾;②二卤代物在金属还原下生成类卡宾;③碳负离子α-消除释放出卡宾。下表对这三种方法进行了简单总结,各有优劣,卡宾化学还有很大的研究空间。


卡宾的反应性与取代基的性质、制备方法、反应条件等因素关联较大,三线态卡宾(自旋平行)和单线态卡宾(自旋相反)的反应性也不相同。金属与卡宾结合能形成Fischer卡宾(金属与吸电子基相连)和Schrock卡宾(金属与给电子基相连),通过配体也能对其反应性、立体选择性等进行调控。此外,稳定的卡宾物种如在氮杂环卡宾在有机合成中也应用广泛。

【反应概况】羰基是十分好的卡宾前体,其商业化来源广且容易合成。在2018年,David A. Nagib课题组就将羰基作为碳自由基前体实现了对炔烃的烷基化碘化反应,该反应用酰碘活化羰基生成碘代烷烃再参与自由基反应 Science 2018, 362, 225)。基于类似的思路,若能先活化醛基生成卤代烷烃,再形成碳负离子,就有可能经历α-消除释放出卡宾。


为了避免自由基途径,作者用酰去加成羰基以降低烷基卤代物活性。首先,羰基和酰氯作用生成氯代物,随后被锌单质还原生成类卡宾,在FeCoCuRh等金属存在下能发生二聚、插入、[2+1]环化等反应。


【反应可行性探索】为验证该策略产生卡宾的可能性,作者对醛的二聚反应进行了探索。该反应经历三个过程:①PivCl活化羰基;②Zn活化C-Cl键形成类卡宾中间体;③金属催化卡宾参与二聚。实验筛选发现FeCoCu等金属都能促进二聚反应进行,并且使用CoCl2作为催化剂具有优秀的产率和E/Z选择性。二聚反应具有较好的普适性,在多种添加剂存在下都能得到较好的收率。


【反应性研究】醛作为卡宾前体在亲电环丙烷化、亲核环丙烷化、三元杂环构建、N-H插入、P-H插入、Si-H插入、B-H插入、扩环重排等反应中皆有不错的表现,具有十分广泛的应用潜力。另外,通过不同的催化剂,也能对其反应模式进行调控。


【机理研究】A)和重氮卡宾的反应性进行比较;B)卡宾途径和自由基途径的控制实验;C)卡宾电子效应的研究;D)竞争实验。



【放大实验及安全性】酰卤活化后得到的卤代烷烃热力学稳定性远远好于重氮化合物,此外,该类型反应放大至100 mmol级别仍有十分高的产率。


【总结】在本文的工作中,David A. Nagib教授课题组发展可一种全新的卡宾前体,从醛出发即可释放出卡宾。通过对催化剂和反应底物进行调控,可以实现不同类型的卡宾反应。该工作拓展了卡宾化学的范围,并且具有十分好的实用性


参考文献:

Carbene reactivity from alkyl and aryl aldehydes

Lumin Zhang, Bethany M. DeMuynck, Alyson N. Paneque, Joy E. Rutherford, David A. Nagib*


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