(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
芳炔具有出色的反應(yīng)活性,可作為合成功能性芳烴的有效底物。自1953年Robert等首次使用苯炔的三鍵用于相關(guān)反應(yīng)之后,一系列類似物(如萘基炔、吡啶炔和吲哚炔)已成功用于功能性材料分子和天然產(chǎn)物的合成。同時(shí),可通過苯炔、9,10-菲基炔和萘基炔有效的構(gòu)建全取代的芳環(huán)骨架三亞苯基(Triphenylenes)、六苯并三亞苯基(hexabenzotriphenylenes)和紅熒烯(rubrenes)。并且,苯炔也可有效地合成多環(huán)天然產(chǎn)物,如通過吡啶炔的環(huán)加成反應(yīng)可獲得玫瑰樹堿,通過苯炔的串聯(lián)反應(yīng)可構(gòu)建dictyodendrin A(Scheme 1A)。早期,主要是在堿性條件下通過芳基鹵化物的脫鹵化氫形成芳炔。隨后,Kobayashi等報(bào)道了一種更為簡便的芳炔合成方法,即通過氟化物誘導(dǎo)的2-(三甲基甲硅烷基)苯基三氟甲磺酸酯的1,2-消除(Scheme 1B)。最近,Hoye等報(bào)道了三炔的六氫-Diels-Alder(HDDA)工藝,實(shí)現(xiàn)了多環(huán)芳炔的合成。作者設(shè)想,是否可以使用二炔底物,通過卡賓遷移、CO插入和6π電環(huán)化的串聯(lián)過程,從而實(shí)現(xiàn)全取代芳炔前體的合成(Scheme 1C)。然而,該反應(yīng)也存在一定的挑戰(zhàn),如兩種卡賓中間體的氧化競爭性反應(yīng)、CO插入的順序等。在此,華東師范大學(xué)姜雪峰課題組基于硅取代基的空間效應(yīng)和超共軛效應(yīng),設(shè)計(jì)了一種含有甲硅烷基的炔基-炔胺底物,可抑制不希望的氧化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO的選擇性插入,同時(shí),通過Rh(I)-催化卡賓遷移和甲硅烷基輔助的CO插入來實(shí)現(xiàn)甲硅烷基二炔的羰基化環(huán)化反應(yīng),以構(gòu)建全取代的芳炔前體。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
首先,作者以二炔1作為模型底物,對末端炔烴上的取代基和N-O氧化物進(jìn)行了篩選(Table 1)。反應(yīng)結(jié)果表明,Rh(I)-卡賓的遷移速率受硅取代基空間位阻影響,當(dāng)末端炔烴取代基為TBS時(shí),可獲得76%收率的P1。同時(shí),吡啶-N-氧化物2-位的空間位阻和電子效應(yīng)均可防止氧化副產(chǎn)物SP-1的生成,當(dāng)使用親核試劑N-O-4時(shí),可獲得76%收率的P1。通過進(jìn)一步優(yōu)化(減少N-O-4的比例),可將收率提高至82%。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
獲得上述最佳條件之后,作者對二炔底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Table 2)。首先,具有不同N-取代的磺?;ㄈ鏣s、Ms和Bs),均以76-83%的收率得到所需產(chǎn)物2a-2c,同時(shí),2a的克級規(guī)模實(shí)驗(yàn)也成功進(jìn)行(83%收率)。其次,芳環(huán)上不受電子效應(yīng)影響,均以高收率獲得產(chǎn)物2d-2i。同時(shí),各種官能團(tuán)(如酯、酰胺和乙?;┚哂辛己玫哪褪苄裕?8-89%的收率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2j-2l。芳環(huán)上含有3,4-二取代的二炔底物,也以67-77%的收率獲得產(chǎn)物2m-2o,但也存在10-31%收率的1,3-甲硅烷基遷移的副產(chǎn)物。此外,雜環(huán)取代的二炔也以82%和73%的收率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2p和2q。值得注意的是,該方法可有效合成咔唑類生物堿骨架(2r和2s),并且,該方法可對氨基酸、薄荷醇和雌酮進(jìn)行相關(guān)的后期修飾(2t-2v)。
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多環(huán)芳烴分子(PAMs)由于其在材料科學(xué)中具有獨(dú)特的光電特性從而備受關(guān)注。通過加入F-源,可實(shí)現(xiàn)芳炔前體與各種二烯(包如呋喃、1,3-二苯基異苯并呋喃和四環(huán)酮)的環(huán)加成反應(yīng),從而以78-92%的收率獲得多環(huán)芳烴產(chǎn)物4a-4c(Table 3)。其次,各種全取代的芳烴前體與1,3-二苯基異苯并呋喃進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)時(shí),芳環(huán)上具有富電子和缺電子基團(tuán)時(shí),均具有良好的耐受性,以85-92%的收率獲得相應(yīng)的產(chǎn)物4d-4f,其中含有溴取代的分子可進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)的偶聯(lián)反應(yīng)。此外,噻吩取代的底物,也以69%的收率獲得環(huán)加成產(chǎn)物4g。值得注意的是,這些多環(huán)芳烴分子在溶液中具有強(qiáng)烈的熒光,從而在有機(jī)光電材料中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
為了進(jìn)一步了解反應(yīng)的過程,作者對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究(Scheme 2)。首先,當(dāng)炔烴底物末端上含有甲基和苯基時(shí),可獲得28%和57%收率的氧化副產(chǎn)物SP-2,當(dāng)使用空間位阻更大的叔丁基時(shí),可以防止副產(chǎn)物SP-2的生成,但不利于CO的插入。這些結(jié)果表明,空間位阻以及炔烴末端的電子效應(yīng)對于反應(yīng)至關(guān)重要(Scheme 2a)。緊接著,1i于標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng),并使用10當(dāng)量的甲醇,分別獲得38%收率的甲酯5i,26%收率的去甲硅烷基化產(chǎn)物6i以及微量的目標(biāo)產(chǎn)物2i。同時(shí),7a在標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng),僅獲得61%收率的二酮產(chǎn)物8a,從而表明第一步中的Rh卡賓不利于CO的插入(Scheme 2b)。
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根據(jù)上述實(shí)驗(yàn),作者提出了一種可能的反應(yīng)機(jī)理(Scheme 3)。首先,催化劑Rh(I)與富電子三鍵配位,然后受到N-氧化物的親核進(jìn)攻,形成Rh(I)-卡賓中間體B,同時(shí),底物與吡啶N-氧化物之間的空間和電子效應(yīng)都可完全抑制氧化副產(chǎn)物B'的生成。其次,銠卡賓中間體B從芐基位置遷移至甲硅烷基的α-位,得到中間體C。緊接著,經(jīng)CO配位和插入,得到甲硅烷基乙烯酮E,同時(shí)解離和再生Rh(I)-催化劑。隨后,E的6π電環(huán)化得到中間體F,經(jīng)1,5-H遷移,得到環(huán)己二烯酮G。最后,芳香化可能經(jīng)歷兩種途徑,即通過1,3-H遷移得到動(dòng)力學(xué)目標(biāo)產(chǎn)物(path A),而在較高溫度下發(fā)生1,3-Si遷移得到熱力學(xué)穩(wěn)定的副產(chǎn)物I(path B)。此外,甲硅烷基的空間位阻效應(yīng),可避免2-溴吡啶N-氧化物再次對卡賓碳的影響,成功地防止了從C到二酮C'的二次氧化。
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總結(jié):華東師范大學(xué)姜雪峰教授課題組報(bào)道了一種Rh(I)-催化卡賓遷移/羰基化/環(huán)化串聯(lián)反應(yīng)的策略,可輕松構(gòu)建全取代的芳炔前體,并在有機(jī)光電材料合成中具有巨大的潛力。值得注意的是,炔烴上的甲硅烷基的空間和超共軛效應(yīng),對于串聯(lián)過程中控制CO選擇性的插入(通過阻止卡賓中間體的氧化)至關(guān)重要。
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