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Nat. Commun.:余金權(quán)團(tuán)隊(duì)再添新作首例銅介導(dǎo)二茂鐵的對(duì)映選擇性C-H炔基化反應(yīng)

來(lái)源:化學(xué)加原創(chuàng)      2023-12-04
導(dǎo)讀:近日,美國(guó)斯克里普斯研究所余金權(quán)與上海有機(jī)所王鵬課題組利用一種修飾的手性BINOL配體,首次實(shí)現(xiàn)了銅介導(dǎo)二茂鐵的對(duì)映選擇性C-H炔基化反應(yīng),合成了一系列平面手性二茂鐵衍生物,具有高收率與高度的立體誘導(dǎo)。反應(yīng)成功的關(guān)鍵之處在于,使用基于BINOL的二醇配體促進(jìn)了所需的反應(yīng)。同時(shí),芳基和烷基取代的末端炔烴均與體系兼容,但與鈀催化C-H活化反應(yīng)不相容。此外,這一發(fā)現(xiàn)為確定Cu(II)是否以類似于Pd(II)催化的方式通過CMD(concerted metalation-deprotonation)途徑斷裂C-H鍵提供了寶貴的機(jī)理信息。文章鏈接DOI:10.1038/s41467-023-43278-z

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

正文

在過去的十年里,通過不對(duì)稱金屬化進(jìn)行的對(duì)映選擇性C-H活化反應(yīng)已成為一種很有前途的不對(duì)稱催化平臺(tái)。隨著Pd(II)、Pd(0)、Rh(III)、Rh(I)、Ir和其它貴金屬催化體系的發(fā)展,該領(lǐng)域已取得了重大的進(jìn)展。特別是,由于發(fā)現(xiàn)了雙官能團(tuán)化的手性單-N-保護(hù)氨基酸(MPAA)配體和能夠加速C-H活化的下一代配體,化學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)了一系列手性Pd(II)催化劑,可用于誘導(dǎo)點(diǎn)手性、軸手性和平面手性。相反,使用第一行過渡金屬催化劑(如Fe、Co、Ni或Cu)進(jìn)行不對(duì)稱C-H活化的報(bào)道很少,盡管它們豐富且成本低。其中,銅催化劑具有對(duì)雜環(huán)和其它敏感官能團(tuán)的耐受性更高的優(yōu)勢(shì),從而備受關(guān)注。同時(shí),手性配體對(duì)于加速銅化的C-H活化反應(yīng)也是至關(guān)重要的。2018年,余金權(quán)團(tuán)隊(duì)(Organometallics 201837, 2832.)使用手性噁唑啉導(dǎo)向基團(tuán)實(shí)現(xiàn)了二茂鐵的非對(duì)映選擇性C-H硫基化反應(yīng)(Fig. 1a)。雖然該反應(yīng)存在一定的局限性,但這種手性輔助方法為銅催化的對(duì)映選擇性C-H活化反應(yīng)的最終發(fā)展提供了一條有前途的線索。近日,美國(guó)斯克里普斯研究所余金權(quán)與上海有機(jī)所王鵬課題組開發(fā)了一種新型的BINOL衍生的配體((S)-6,6’-二溴BINOL),首次實(shí)現(xiàn)了銅介導(dǎo)二茂鐵的對(duì)映選擇性C-H炔基化反應(yīng)(Fig. 1b)。機(jī)理研究支持配體加速的存在,并表明了加速發(fā)生在催化循環(huán)中的關(guān)鍵C-H斷裂步驟。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

首先,作者以二茂鐵羧酸1與苯乙炔2a作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)C-H炔基化反應(yīng)條件的篩選(Fig. 2)。當(dāng)以CuOAc(1.5 equiv)作為銅源,L15(40 mol %)作為配體,NaOAc(1.0 equiv)作為堿,Ag2CO3(50 mol%)作為添加劑,在DMSO溶劑中70 oC反應(yīng)12 h,可以76%的收率得到產(chǎn)物3a,mono/di為4.8:1。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者對(duì)末端炔烴的底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Fig. 3)。研究結(jié)果表明,當(dāng)末端炔烴的底物中含有一系列不同電性取代的芳基、萘基、噻吩基、環(huán)己基、環(huán)丙基、烷基、烯基等時(shí),均可與1順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3b-3r,收率為45-83%,mono/di為2.6:1->20:1。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

同時(shí),作者還對(duì)二茂鐵底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Fig. 4)。研究結(jié)果表明,當(dāng)二茂鐵底物4中的R為羰基、烷氧羰基與烷基時(shí),均可與苯乙炔2a順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物5a-5h,收率為59-87%,mono/di為4.8:1-7.4:1。然而,對(duì)于空間位阻較大的二茂鐵底物,僅以38%的收率得到產(chǎn)物5i,但具有優(yōu)異的單選擇性。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

緊接著,作者以二茂鐵羧酸1與苯乙炔2a作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)對(duì)映選擇性C-H炔基化反應(yīng)條件的篩選(Fig. 5)。當(dāng)以CuOAc(50 mol%)與Cu(OAc)2(70 mol%)作為銅源,(S)-L21(50 mol %)作為手性配體,NaOAc(1.0 equiv)作為堿,在DMSO溶劑中60 oC反應(yīng)12 h,可以66%的收率得到產(chǎn)物(Rp)-3a,mono/di為5.0:1,er為87:13。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

隨后,作者對(duì)不對(duì)稱C-H炔基化反應(yīng)的底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Fig. 6)。首先,當(dāng)末端炔烴底物2中的R為不同電性取代的芳基、噻吩基與丙基時(shí),均可順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物(Rp)-3a、(Rp)-3b、(Rp)-3d-(Rp)-3j、(Rp)-3l和(Rp)-3r,mono/di為1.2:1-10:1,er為88:12-93:7。其次,當(dāng)二茂鐵底物中的R’為各種烷基取代時(shí),也與體系兼容,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物(Rp)-5f-(Rp)-5h,mono/di為2.0:1-2.5:1,er為91:9-92.5:7.5。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

此外,作者還對(duì)反應(yīng)的實(shí)用性進(jìn)行了研究(Fig. 7)。首先,克級(jí)規(guī)模實(shí)驗(yàn),同樣能夠以52%的收率和90:10 er得到產(chǎn)物(Rp)-3a(Fig. 7a)。通過己烷/二氯乙烷重結(jié)晶以非常高的選擇性(99.5:0.5 er)和38%的收率得到(Rp)-3a。其次,(Rp)-3a在Pd/C/H2條件下進(jìn)行氫化反應(yīng),并在NaOH/EtOH條件下脫除導(dǎo)向基團(tuán),可以65%的收率得到(Rp)-7a,er為98:2(Fig. 7b)。值得注意的是,(Rp)-7a可作為鈷催化對(duì)映選擇性C(sp3)-H活化反應(yīng)中的有效配體,可以95%的收率與70.5:29.5 er得到產(chǎn)物10

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

最后,作者還對(duì)反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了研究(Fig. 8)。首先,KIE實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,C-H鍵的斷裂可能是決速步驟(Fig. 8a)。同時(shí),銅介導(dǎo)的C-H炔基化可能通過銅的CMD C-H活化進(jìn)行,與不涉及銅參與C-H鍵斷裂的SET途徑相反。這是一個(gè)關(guān)鍵的機(jī)理見解,因?yàn)樗却_定了銅斷裂C-H鍵的方式與鈀斷裂C-H鍵的方式類似,又提出了配體參與和加速的合理機(jī)理。其次,通過對(duì)初始反應(yīng)速率的研究結(jié)果表明,初始的配體加速反應(yīng)的進(jìn)行(Fig. 8b)。上述結(jié)果表明,BINOL骨架加速了關(guān)鍵的速率和對(duì)映選擇性決定的銅的C-H斷裂步驟,類似于MPAAs與相關(guān)配體參與鈀催化的方式。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

總結(jié)

美國(guó)斯克里普斯研究所余金權(quán)與上海有機(jī)所王鵬課題組開發(fā)了一種使用手性BINOL衍生的二醇配體,首次實(shí)現(xiàn)了銅介導(dǎo)二茂鐵羧酸衍生物的對(duì)映選擇性鄰位C-H炔基化反應(yīng)。該骨架顯示配體加速催化Cu介導(dǎo)的C-H活化,這既提高了反應(yīng)活性,也實(shí)現(xiàn)了對(duì)映選擇性催化。

文獻(xiàn)詳情:

Xin Kuang, Jian-Jun Li, Tao Liu, Chang-Hua Ding, KevinWu, Peng Wang*, Jin-Quan Yu*. Cu-mediated enantioselective C–H alkynylation of ferrocenes with chiral BINOL ligands. Nat. Commun. 2023, https://doi.org/10.1038/s41467-023-43278-z

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