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Angew:鎳催化芳锍鎓鹽的交叉親電偶聯反應

來源:化學加原創      2024-06-11
導讀:近日,德國哥廷根大學的Lutz Ackermann課題組報道了一種鎳催化芳基锍鎓鹽(arylsulfonium salts)的C(sp2)–C(sp3)交叉親電偶聯反應,成功實現了將脂肪族鏈引入至芳香族骨架中。因此,簡單的非預官能團化芳烴可以通過形成芳基二苯并硫蒽鎓鹽(DBT+,aryldibenzothiophenium salts)從而實現相應的烷基化反應。該反應采用電化學方法避免了具有潛在危險性的化學氧化還原劑的使用。重要的是,一鍋法烷基化也是可行的,進一步證明了該方法的穩健性。文章鏈接DOI:10.1002/anie.202401198

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

正文

將sp3-雜化碳引入至芳香族骨架上是提高藥物發現臨床成功率的可靠策略之一。在這種情況下,C(sp2)–C(sp3)鍵形成反應發揮了至關重要的作用,可合成各種三維分子。盡管與有機金屬試劑的常規交叉偶聯反應是高度選擇性的,但常需在惰性氣氛下進行。因此,化學家們已經探索了利用化學還原劑與有機鹵化物進行光化學或電化學的交叉親電偶聯反應(XECs)(Scheme 1, top)。然而,這些鹵化物,特別是(雜)芳基鹵化物的化學空間仍然有限,因為位點選擇性鹵化仍然具有挑戰性。為了解決這個問題,Procter、Ritter和Yolimitsu等課題組報道了相關芳基锍鎓鹽的位點選擇性制備和官能團化反應。2021年,Ritter課題組(J. Am. Chem. Soc. 2021143, 7909.)報道了一種鈀催化芳基噻蒽鎓鹽(TT+,arylthianthrenium)的位點選擇性烷基化反應(Scheme 1,middle)。盡管取得了這些重大進展,但在鎳催化下直接與芳基磺酸鹽構建C(sp2)–C(sp3)鍵的方法仍然難以捉摸。近日,德國哥廷根大學的Lutz Ackermann課題組報道了一種鎳催化芳基二苯并硫蒽鎓鹽(由市售的芳烴制備)的電化學親電交叉偶聯反應(eXEC)(Scheme 1,bottom)。此外,利用電作為還原劑來避免潛在的危險化學氧化還原劑。值得注意的是,該方法提供了首次在沒有純化芳基锍鎓鹽的情況下,從未經修飾的芳烴進行一鍋形式C(sp2)–H烷基化的例子。化學加——科學家創業合伙人,歡迎下載化學加APP關注。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

首先,作者以芳基二苯并硫蒽鎓鹽1與1-碘辛烷2作為模型底物,進行了相關反應條件的篩選(Table 1)。當以NiBr2(dtbbpy)(10 mol %)作為催化劑,Zn/Ni作為電極,nBu4NI作為電解質,3? MS作為添加劑,電流為5 mA,在DMA溶劑中60 oC反應6 h,可以77%的分離收率得到產物3。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

在獲得上述最佳反應條件后,作者分別對DBT+鹽與烷基碘的底物范圍進行了擴展(Figure 1)。首先,對位修飾的DBT+鹽(3-8)、苯衍生的DBT+鹽(9)、間-/對-位二取代DBT+鹽(10-13)、鄰-/間-位二取代DBT+鹽(1415)與間-/對-位三取代DBT+鹽(16),均可順利反應,獲得相應的產物,收率為53-83%。同時,噻吩和喹啉衍生的DBT+鹽,也是合適的底物,獲得相應的產物17(收率為64%)和18(收率為43%)。有趣的是,當使用苯丙氨酸衍生物,僅在對位進行烷基化,可以40%的收率得到鄰和對位異構體的混合產物19。值得注意的是,該策略還可用于一系列藥物分子的后期衍生化,如氟比洛芬、美西律和布洛芬,獲得相應的產物20-22,收率為45-68%。其次,具有一級脂肪鏈的簡單碘化物,也與體系兼容,獲得相應的產物23-27,收率為60-78%。類似地,含有氮或氧烷基碘化物,也是合適的底物,獲得相應的產物28-30,收率為53-62%。此外,無環和環狀二級烷基碘化物,也能夠順利進行反應,獲得相應的產物31-37,收率為60-68%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

緊接著,作者對反應的實用性進行了研究(Scheme 2)。首先,克級規模實驗,同樣能夠以62%收率得到產物7(Scheme 2A)。其次,以非預官能團化的芳烴為底物,通過一鍋烷基化反應,可獲得相應的產物3、7、11、1231,收率為40-56%(Scheme 2B)。值得注意的是,該策略作為首個利用非預官能團化的芳烴通過形成锍鎓鹽進行一鍋烷基化反應的例子。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

此外,作者還對反應機理進行了進一步的研究(Figure 2)。首先,自由基鐘實驗與手性烷基碘的外消旋實驗結果表明,反應涉及烷基自由基的生成(Figure 2A)。其次,利用D2O捕獲芳基鋅配合物的反應未生成任何氘化產物,排除了芳基鋅的累積(Figure 2B)。CV實驗結果表明,電子更容易向芳基DBT+鹽轉移(Figure 2C)?;谏鲜龅难芯恳约跋嚓P文獻的查閱,作者提出了一種合理的催化循環過程(Figure 2D)。首先,鎳(I)配合物A與芳基DBT+鹽經氧化加成生成鎳(III)中間體B。其次,中間體B在陰極上還原,生成芳基-鎳(I)配合物C。隨后,配合物C與烷基碘經單電子轉移(SET)與自由基重組,生成鎳(III)配合物D。最后,配合物D經還原消除,可獲得目標偶聯產物,并再生鎳催化劑A,以完成催化循環的過程。此外,目前不能排除芳基DBT+鹽直接陰極還原的機理。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

為了進一步證明上述的反應機理,作者還進行了相關的DFT研究(Figure 3)。計算結果表明,該反應涉及ISET(inner sphere electron transfer)、自由基重組與還原消除的過程。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.


總結

德國哥廷根大學的Lutz Ackermann課題組報道了一種鎳-電催化C(sp2)–C(sp3) 交叉親電偶聯反應。其中,該策略可以使用各種非預官團能化的芳烴作為底物。同時,該反應具有出色的官能團耐受性與高度的化學選擇性等特點。此外,一鍋法電催化也是可行的,強調該方法的穩健和實用性??偟膩碚f,該策略提供了一種有效的方法,通過未經修飾的芳烴來提高sp3-雜化的碳含量。

文獻詳情:

Electrocatalytic Formal C(sp2)–H Alkylations via Nickel-Catalyzed Cross-Electrophile Coupling with Versatile Arylsulfonium Salts. 
Takuya Michiyuki, Simon L. Hom?lle, Neeraj Kumar Pandit, Lutz Ackermann*. 
Angew. Chem. Int. Ed. 2024
https://doi.org/10.1002/anie.202401198

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