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Hosea M. Nelson

Hosea M. Nelson于2004年在UCBerkeley取得學(xué)士學(xué)位，2012年在加州理工取得博士學(xué)位，導(dǎo)師B.M.Stoltz, 2012-2014年在UCBerkeley做博士后，導(dǎo)師Dean Toste, 2015年加入UCLA。

在過去的80年中，苯基陽離子中間體廣泛出現(xiàn)于各種C–H芳基化反應(yīng)中。雖然這些例子開啟了一些理論和機(jī)理的研究，但芳基陽離子等價物在有機(jī)合成方法學(xué)中受到了的關(guān)注還是比較有限，這主要是由于它們的高能量、混雜的反應(yīng)類型阻礙了其在分子間選擇性過程中的應(yīng)用。

自1891年，Merling等人在不知情的情況下制備出了芳香性的?翁離子，碳正離子在理論化學(xué)的發(fā)展和實(shí)踐中都扮演了非常重要的角色，但由于穩(wěn)定性較差、反應(yīng)不可控等，芳基碳正離子在合成方法學(xué)的應(yīng)用還較少，甚至苯基碳正離子是否作為反應(yīng)中間體的存在都是一個爭論的問題。

圖 1 包含苯基碳正離子的反應(yīng)

如圖 1A 所示，1936 年，Mascarelli 等人通過重氮鹽制備芳基碳正離子，進(jìn)而發(fā)生分子內(nèi)的碳?xì)滏I插入得到芴化合物2。Siegel 等人也報道了氟苯類底物在硅催化劑作用下發(fā)生分子內(nèi)傅克反應(yīng)的案例。本文作者在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了如圖1C所示的設(shè)想，鄰位帶有三甲基硅基TMS的氟苯在[Et3Si]+[HCB11Cl11]-的作用下，形成芳基碳正離子，對烴類碳?xì)滏I插入。作者認(rèn)為，鄰位三甲基硅基取代的芳基氟化物作為芳基碳正離子等價物有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 鄰位硅取代基對芳基碳正離子具有穩(wěn)定作用，降低了碳氟鍵斷裂的能壘；(2) 硅取代基的給電子作用可能會提高芳基碳正離子物種對碳?xì)滏I的插入能力；(3) 完成碳?xì)滏I官能團(tuán)化后，硅取代基很容易發(fā)生消除而被脫去。

圖 2 底物擴(kuò)展一

如圖2所示，作者對底物進(jìn)行了考察，鄰位帶有 TMS 的氟苯及其類似物，在[Ph3C]+[HCB11Cl11]-和 Et3SiH 作為引發(fā)劑，反應(yīng)中原位產(chǎn)生催化物種[Et3Si]+[HCB11Cl11]-條件下，60 度左右反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了β-硅基穩(wěn)定的芳基正離子對于苯環(huán)的碳?xì)滏I插入，得到相應(yīng)的聯(lián)苯類化合物，產(chǎn)率中等到優(yōu)良。苯環(huán)上可以帶有鹵素、烷基、苯基、烷氧基等，當(dāng)分子中有兩個鄰位 TMS 的氟苯單元時，則得到和兩個苯環(huán)連接的產(chǎn)物（entry 11），當(dāng)分子中帶有OTBS 基團(tuán)時，反應(yīng)結(jié)束后硅保護(hù)基TBS也會脫除（entry 12）。

圖 3 底物擴(kuò)展二

除了和苯環(huán)可以反應(yīng)之外，作者還嘗試了其它烷烴、環(huán)烷烴以及甲烷等，也都能以中等的收率得到相應(yīng)的碳?xì)滏I插入產(chǎn)物。其中，七元環(huán)需要較高的溫度。

接著作者對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究并提出了可能的催化循環(huán)，[Ph3C]+[HCB11Cl11]-和 Et3SiH 作為引發(fā)劑，產(chǎn)生活性物種[Et3Si]+[HCB11Cl11]-，通過三乙基硅基正離子攫取芳基氟化物中的氟形成 β-硅基穩(wěn)定的芳基碳正離子5，隨后發(fā)生烴類分子的 C-H 鍵插入得到 Wheland 中間體6，硅基離去得到產(chǎn)物7，而生成的硅基正離子進(jìn)入新的催化循環(huán)繼續(xù)攫取底物中的氟。如圖 5B 所示，作者還通過不同位置的 TMS 保護(hù)基的對照實(shí)驗(yàn)證實(shí)了硅基在該反應(yīng)中的重要作用。

圖 4 可能的催化循環(huán)

作者還通過設(shè)計不同位點(diǎn)正丁基取代的芳基氟化物參與反應(yīng)，排除了反應(yīng)經(jīng)歷苯炔中間體的過程。而氘代實(shí)驗(yàn)表明碳?xì)滏I插入是一個協(xié)同的過程，動力學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)表明碳?xì)滏I插入正是整個反應(yīng)的決速步。

圖 5 對照實(shí)驗(yàn)對于機(jī)理的研究

總結(jié)

Nelson課題組通過[Ph3C]+[HCB11Cl11]-和Et3SiH作為引發(fā)劑，反應(yīng)中原位產(chǎn)生催化物種[Et3Si]+[HCB11Cl11]-，實(shí)現(xiàn)了β-硅基穩(wěn)定的芳基正離子對于sp2和sp3碳?xì)滏I的插入，實(shí)現(xiàn)了非活化烴類的碳?xì)滏I官能團(tuán)化，該反應(yīng)不僅可以在相對溫和的條件下實(shí)現(xiàn)不同芳基氟化物對苯的碳?xì)滏I插入，還可以實(shí)現(xiàn)包括甲烷在內(nèi)的烷烴分子的碳?xì)滏I官能團(tuán)化，是對傳統(tǒng)的過渡金屬催化劑催化的碳?xì)滏I活化的重要補(bǔ)充。但文章的例子還比較局限，產(chǎn)率還待進(jìn)一步提高，相信通過不斷的改進(jìn)，這種非過渡金屬催化的碳?xì)滏I插入反應(yīng)還是大有用武之地的。