過渡金屬催化在有機合成中占據重要地位，其高選擇性和效率促進了復雜分子的構建。通過開發(fā)多種催化劑，實現了對反應區(qū)域、化學及立體選擇性的精細調控，促進了成本效益和原子效益高的有機轉化。為探索新反應路徑并抑制副反應，精確控制產物分布與催化機制提出了關鍵挑戰(zhàn)。金屬卡賓作為重氮化合物轉化的關鍵中間體，其類型（受體型、受體/受體型、供體/受體型）與活性可通過取代基調節(jié)，尤其供體/受體型卡賓展現了優(yōu)異的親電性與穩(wěn)定性，廣泛應用于高選擇性反應。利用銀、銠、鈀等過渡金屬催化的卡賓化學，已開發(fā)出X-H插入、環(huán)丙烷化等多種有機轉化。作者基于AgOTf催化多取代吡咯的研究，進一步探索了Pd和Rh催化劑的效果。研究發(fā)現，（1）使用相同的起始原料重氮酯和烯胺酮，將研究擴展到Pd和Rh催化劑，作者獲得了不同的產物。Pd催化產生了季碳α-亞胺，而Rh催化產生了不尋常的雙環(huán)呋喃吡咯酮產物（圖1）。Pd和Rh催化的串聯(lián)轉化均顯示出廣泛的底物范圍。（2）然后，作者計算了Ag催化吡咯合成反應的詳細反應機制途徑?；贒FT計算，作者將Pd和Rh催化的機制與Ag催化的機制進行了比較。計算結果表明，Ag催化更適用于形成多取代吡咯，而Pd催化則通過關鍵中間體M-12的直接質子轉移生成酮亞胺（圖1）。（3）最后，作者進行了Rh催化的串聯(lián)轉化計算，其中Rh催化的C-O/C-C環(huán)化也通過兩性離子中間體M-12進行。作者確定了Ag、Pd和Rh卡賓介導轉化之間的固有差異。作者的研究為這三種過渡金屬在卡賓化學中的性質提供了重要見解。展示了通過變換催化劑類型可精準調控反應路徑與產物分布，為可控與可編程卡賓化學的發(fā)展奠定了基礎，預示著從簡單底物高效構建復雜化學品的新前景。 圖1. 過渡金屬催化劑控制的重氮酯與烯胺酮的選擇性轉化產物（圖片來源：ACS Catalysis）受銀催化卡賓級聯(lián)轉化啟發(fā)，作者首先利用實驗方法探索了鈀（Pd）和銠（Rh）催化的重氮酯/烯胺酮串聯(lián)轉化，并與銀催化結果對比。使用Pd(OAc)2或PdCl2，獲得不同季碳α-亞胺產物，但產率較低。優(yōu)化后，發(fā)現Pd(cod)Cl2在5 mol%負載下，室溫反應12小時，產率最佳。進一步考察底物兼容性，發(fā)現供電子基團（如甲基、甲氧基）提高反應效率，而吸電子基團（如硝基、鹵素）則降低產率。芳基取代位置對反應影響較小，但鄰位取代不兼容。含有萘、噻吩環(huán)的底物也能反應。重氮酯取代基的電子效應顯著，吸電子基團更有利。隨著酯基碳鏈長度變化，產率下降。雙取代底物也能以中等產率生成預期產物。通過X射線晶體學確認了部分產物的相對立體化學，并據此推斷其他產物的立體結構。此研究不僅展示了鈀催化在合成季碳α-亞胺中的潛力，還揭示了底物取代基對反應效率和產物結構的重要影響 （Table 1）。 接著，作者研究了銠催化的烯胺酮與重氮酯串聯(lián)反應。篩選后，發(fā)現Rh2(oct)4在4 mol%負載下，室溫反應1小時，高效生成了新穎的呋喃并[3,4-c]吡咯酮衍生物5。底物兼容性研究顯示，銠催化對烯胺酮取代基的電子效應不敏感，但鄰位取代顯著降低產率。重氮酯的吸電子取代基促進反應，而供電子基團則抑制。位阻效應顯著，大取代基或鹵素鄰位取代不利。酯基空間位阻增加也導致產率下降。復雜環(huán)（如噻吩、萘）底物能以中等產率參與反應。雙取代底物同樣生成了預期產物，且非對映選擇性優(yōu)異（dr > 49:1）（Table 2）。 為深究催化劑選擇性機制，作者利用DFT計算分析了銀催化烯胺酮1a與重氮酯2a合成多取代吡咯的路徑（Figure 3）。機制涉及C-C插入與環(huán)化兩大循環(huán)，C-C插入順暢，生成三元環(huán)中間體Ag-10，后異構化為Ag-11并快速開環(huán)成兩性離子Ag-12。質子轉移至銀配位O原子形成烯醇中間體Ag-13，該步驟能壘較低。隨后，烯醇負離子與Ag(I)配位成穩(wěn)定π鍵絡合物Ag-15，再經分子內環(huán)化形成C-N鍵，完成轉化。此研究揭示了銀催化轉化的詳細機制及能量變化。環(huán)化中間體Ag-16羥基與Ag(I)配位成穩(wěn)定中間體Ag-17，隨后AgOTf輔助下，經低能壘路徑脫水（18.1 kcal/mol斷裂C-O，9.1 kcal/mol去質子化）。此過程類似酸催化，Ag(I)作用如質子。無額外銀鹽輔助的脫水路徑能壘高（≥40 kcal/mol）。脫水后生成Ag-19，經[1,5]酯遷移（ΔG? = 15.1 kcal/mol）至Ag-20，AgOTf解離得產物3a。其他遷移路徑因高勢壘不利。有利路徑包括銀卡賓化、親核進攻、環(huán)化、開環(huán)、質子轉移至烯醇氧、再環(huán)化、脫水和[1,5]遷移，速率決定步驟為環(huán)化（ΔG? = 20.7 kcal/mol），與實驗相符。 
在探索鈀催化卡賓轉化時，作者發(fā)現了一條順暢的卡賓化、親核進攻及環(huán)化路徑，中間體Pd-8極其穩(wěn)定。隨后開環(huán)生成Pd-12，質子轉移至烯醇中間體能量勢壘低（11.7 kcal/mol）。但PdCl2輔助脫水能壘高（26.9 kcal/mol），室溫下挑戰(zhàn)大。相比之下，質子轉移至烯醇碳上（21.2 kcal/mol）理論上室溫可行。鈀催化傾向于生成更穩(wěn)定的1,4-亞胺酮中間體14’(4a)（ΔG = -35.5 kcal/mol），因脫水步驟不可行。這與實驗結果相符，揭示了鈀催化反應路徑的選擇性。軌道權重福井函數分析顯示，銀催化劑親電性強于鈀催化劑，與ADCH電荷值相符。銀作為更強路易斯酸，與堿性羥基有效互作。IRI分析揭示Ag(I)與Ag-7-ts中氧原子強吸引，降低能量利脫水。鈀因平面配位剛性，空間位阻大，不如銀靈活。這些差異解釋了銀與鈀在催化活性和選擇性上的差異（Figure 5）。 對于Rh2(OAc)4催化的串聯(lián)反應，C-C插入循環(huán)與銀、鈀催化相似，但脫水過程能壘高（46.7 kcal/mol），實驗條件下難以發(fā)生。銠催化劑親電性弱及空間位阻大是原因。與鈀催化不同，銠催化生成了不尋常產物5a。作者提出新機制：從Rh-12開始，C-O環(huán)化生成Rh-21（ΔG? = 13.0 kcal/mol），比質子轉移有利。隨后親核攻擊、第二次環(huán)化、去質子化生成Rh-24（ΔG = -48.0 kcal/mol），總勢壘18.7 kcal/mol，室溫下合理。此機制揭示了催化劑依賴的選擇性起源。作者考察了AgOTf和PdCl2催化新機制的可能性，發(fā)現C-C環(huán)化生成二環(huán)產物5a的能壘較高，無法進行。IRI分析顯示，Rh-12-ts中醋酸根配體與底物有弱氫鍵和C-H…H-C相互作用，而Ag-12-ts中氫鍵弱且缺內酯基相互作用，Pd-12-ts中C?H…Cl氫鍵更弱。Rh2(OAc)4催化傾向通過Rh-12-ts進行C-C環(huán)化生成5a，選擇性受配體與底物非共價相互作用控制。這些結果支持了實驗觀察并揭示了催化劑依賴性的起源。 基于上述機理研究，作者提出了figure 8中概述的不同反應途徑，這些途徑為三種過渡金屬催化的級聯(lián)轉化提供了詳細的見解。所有催化過程都通過C-C插入循環(huán)（黑色）進行，以形成共同的中間體M-12。然后釋放動力學烯醇中間體14，通過更有利的脫水過程進入催化循環(huán)，在銀催化下生成多取代吡咯產物3a（橙色途徑）。在銠催化的轉化中，從M-12開始發(fā)生隨后的C-O環(huán)化和有效的C-C環(huán)化，生成二環(huán)產物5a（藍色途徑）。在鈀催化中，由于脫水和C-C環(huán)化過程不太有利，因此熱力學穩(wěn)定的酮亞胺產物4a直接從14的反向反應中獲得（綠色途徑）。在這項工作中，作者通過實驗和計算方法將銀催化的卡賓級聯(lián)轉化擴展到鈀和銠催化劑。作者通過密度泛函理論（DFT）計算研究了銀催化級聯(lián)轉化的詳細機制，包括從烯胺酮和重氮酯合成多取代吡咯的卡賓C?C鍵插入和環(huán)化/[1,5]-移位循環(huán)。值得注意的是，揭示了銀、鈀和銠催化中催化劑依賴性選擇性的起源。與銀相比，鈀和銠在脫水過程中表現出較高的能壘，由于其較弱的π-路易斯酸性、親電性和親氧性，不利于多取代吡咯的形成。此外，羧酸根配體與底物之間更強的氫鍵相互作用可能使結構明確的槳輪狀二銠(II)在催化獨特的級聯(lián)C-O/C-C環(huán)化方面與銀和鈀絡合物有所不同?？傮w而言，雖然銀和銠串聯(lián)催化都能不同地生成多取代吡咯和呋喃并[3,4-c]吡咯酮產物，但鈀主要通過從共同中間體中直接質子轉移來生成酮亞胺產物。計算結果與實驗觀察結果一致，并成功解釋了反應性和選擇性，加強了涉及共同兩性離子中間體的機制的一般性和合理性。這些發(fā)現為具有不同配體的高效選擇性金屬配合物的合理設計提供了有價值的理論啟示。作為過渡金屬催化劑不可或缺的一部分，配體可以誘導吸引性相互作用并改變金屬配合物的親電性，這通常會影響反應的選擇性。 這一研究成果發(fā)表在ACS Catalysis，哈爾濱工業(yè)大學（深圳校區(qū)）理學院的張馨博士和宋麗娟教授為論文的共同第一作者，云南大學藥學院的金毅研究員和羅開秀博士為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金，云南省自然科學基礎項目基金，廣東省自然科學基金等基金的支持。
Metal-Carbenoid-Mediated Selective Transformation: Experimental and DFT Studies of Ag, Pd, and Rh with Enaminones and DiazoestersXin ZhangLi, juan Song,Yi Jin*,Kaixiu Luo*ACS Catal. 2024, 14, XXX, 13509–13519
在線客服
快速發(fā)布
我的店鋪
我的化學加
我的消息
我要充值
回到頂部
