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【方法學(xué)】Pd催化連續(xù)的C(sp2)-H炔基化-環(huán)化

 化解Chem 2021-08-14

引言


該研究第一作者為Guangbin Jiang,共同一作為Songjia Fang

通訊作者為華南理工大學(xué)教授吳婉卿(Wanqing Wu)和江煥峰(Huanfeng Jiang

該研究報(bào)道了一個有效的方法,通過Pd(II)催化2-苯基酚與鹵代炔烴之間連續(xù)的C(sp2)-H炔基化-環(huán)化反應(yīng),實(shí)現(xiàn)取代的6-次甲基-6H-二氫苯[b,d]吡喃的合成:




1
 簡介

6H-Benzo[c]chromene衍生物,在數(shù)量眾多的天然產(chǎn)物中,是重要的一類化合物。該類化合物也是功能性分子,具有廣泛的生理活性。

鹵代炔烴化合物容易獲得、價(jià)格低廉,以及具有高的反應(yīng)活性,在有機(jī)合成、藥物化學(xué)和材料合成中具有廣泛的應(yīng)用。因此,鹵代炔烴相關(guān)的合成方法,包括環(huán)加成、炔基化、親核加成等,都開發(fā)了有效的合成方法。

其中,鹵代炔烴和酚之間的反應(yīng),進(jìn)行了大量的研究。Wang及其同事報(bào)道了一鍋法,Pd催化酚與鹵代炔烴氧化環(huán)化,構(gòu)建多官能化的苯并[b]呋喃:

作者使用氨基酚、鹵代炔烴和異腈為底物,通過Pd催化多組分環(huán)加成反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了4-氨基-苯并[b][1,4]氧雜環(huán)化合物的制備:


基于早期的研究,以及作者在領(lǐng)域的深入探索,他們發(fā)現(xiàn)了Pd催化鹵代炔烴與苯基酚之間,可以通過酚羥基作為導(dǎo)向基團(tuán),實(shí)現(xiàn)連續(xù)的C(sp2)-H炔基化和環(huán)化反應(yīng),生成6H-dibenzo[b,d]pyrans



2
探索與優(yōu)化

作者一開始,致力于2-苯基酚1a中非活化的C(sp2)-H與溴代炔烴2a之間進(jìn)行炔基化:

結(jié)果發(fā)現(xiàn),甲苯為溶劑,在醋酸鈀催化下,同時存在乙酸銀和乙酸時,獲得了79%的環(huán)加成化合物5a。但是,沒有檢測到期望的炔基化產(chǎn)物Int-1

隨后,嘗試了Cu(OAc)2Zn(OAc)2作為添加劑,反應(yīng)結(jié)果均不佳

當(dāng)更換為碳酸銀時,收率得到了進(jìn)一步提高,為83%

接下來,作者又嘗試了不同的金屬鹽作為催化劑,均未能獲得更好結(jié)果

控制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),反應(yīng)中不加入催化劑Pd,或者沒有添加銀鹽時,均未能獲得環(huán)化產(chǎn)物

隨后,嘗試將甲苯更換為二氯乙烷、乙腈或二甲苯時,反應(yīng)收率下降明顯

進(jìn)一步嘗試了不同酸(TsOH,PivOH),也只能獲得中低收率

反應(yīng)在低溫(60 oC)或高溫(80 oC)反應(yīng),收率也略有下降

最后,在0.12 mmol下進(jìn)行了重復(fù)優(yōu)化條件驗(yàn)證,分離收率達(dá)到76%

隨后,作者進(jìn)一步嘗試了其他鹵代炔烴的反應(yīng)情況:

結(jié)果表明,反應(yīng)活性與鹵代烴性質(zhì)具有很大關(guān)系,收率從大到小排列為:溴>>



?
3
底物拓展
獲得該反應(yīng)的最佳條件后,作者進(jìn)行底物適用性研究:


首先,可以看到,2-苯基酚中2-位苯基的對位為給電子或吸電子取代時,反應(yīng)均可以順利進(jìn)行,反應(yīng)收率中等至優(yōu)秀。當(dāng)對位為三氟甲基取代時候,收率為43%。而強(qiáng)吸電子的硝基取代時,沒有獲得目標(biāo)環(huán)化產(chǎn)物。

2-苯基酚中苯基間位取代位鹵素(FCl)、烷基(Me)、芳基(Ph)或雜環(huán)時,反應(yīng)均可順利進(jìn)行,收率高

2-苯基酚中苯基鄰位又取代基時,無論是甲基、氟還是甲氧基,均僅檢測到痕量的環(huán)化產(chǎn)物

但是,當(dāng)苯酚2位為二苯并呋喃、苯并噻飯或苯并呋喃時候,反應(yīng)的位點(diǎn)選擇性都很好,并且獲得良好的反應(yīng)收率

進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)酚有烷基、鹵素、二氟取代、羧酸酯基、乙?;〈鷷r,均可以順利進(jìn)行,總體收率高至優(yōu)秀

上述結(jié)果表明,該反應(yīng)具有良好的底物適用范圍,并且對一些官能團(tuán)容忍性良好

隨后,進(jìn)行克級實(shí)驗(yàn):

4 mmol下進(jìn)行,反應(yīng)進(jìn)行12小時,收率為43%;延長反應(yīng)時間至20小時,收率達(dá)到56%。反應(yīng)可以進(jìn)行克級合成應(yīng)用。



4
機(jī)理研究

為了了解反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)程,作者進(jìn)行了以下控制實(shí)驗(yàn):

在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下,如果加入兩當(dāng)量TEMPO,收率為69%;如果添加兩當(dāng)量BHT,則收率為71%。從這結(jié)果,推測反應(yīng)不是通過自由基歷程進(jìn)行。

接下來,通過動態(tài)同位素效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)行了競爭反應(yīng)和平行反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明2-苯基苯酚C(sp2)-H鍵的解離過程,在催化循環(huán)中處于決速步驟

隨后,使用經(jīng)過SuzukiSonogashira偶聯(lián)制備的中間體Int-I,分別在標(biāo)準(zhǔn)條件下或者不加入碳酸銀條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果目標(biāo)化合物收率分別達(dá)到93%94%;另外,如果沒有加入醋酸鈀催化劑,則反應(yīng)不發(fā)生。這結(jié)果表明中間體Int-I可能是反應(yīng)過程中經(jīng)歷的一個中間體,并且碳酸銀可能不參與環(huán)加成過程

接下來,標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下,加入氘水,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中烯烴氫并沒有氘代;當(dāng)使用氘代乙酸時,則監(jiān)測到14%的氘代氫,這表明乙烯基上氫可能來源于苯環(huán)上氫或乙酸上的氫。

結(jié)合上述控制實(shí)驗(yàn),提出可能的反應(yīng)機(jī)理過程:


1)金屬催化劑鈀首先和酚進(jìn)行協(xié)同加成

2)接著在酚的引導(dǎo)下,進(jìn)行環(huán)鈀化

3)隨后與底物進(jìn)行氧化加成

4)在碳酸銀作用下,發(fā)生還原消除過程,生成炔基化中間體Int-I,以及重生鈀催化劑

接下來,Int-I可能與催化劑經(jīng)歷兩個歷程:

歷程aInt-I與催化劑經(jīng)過協(xié)同加成后,發(fā)生順式加成,得到中間體Int-2,隨后經(jīng)過位阻控制的Z/E立體異構(gòu)化作用,生成目標(biāo)環(huán)化產(chǎn)物5a

歷程b:經(jīng)過反-氧鈀化,生成中間體D,接著路易斯酸作用下,發(fā)生脫鈀作用,生成產(chǎn)物5a,同時重新生成催化劑鈀


作者通過仔細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)了Pd催化的2-苯基酚與鹵代炔烴之間的C(sp2)-H炔基化環(huán)化,經(jīng)過仔細(xì)的控制試驗(yàn),提出了該反應(yīng)可能機(jī)理歷程。底物試驗(yàn)可知,該反應(yīng)具有良好的底物適用范圍,并且對一些官能團(tuán)具有容忍性。此外,還可以應(yīng)用于克級規(guī)模的制備。

當(dāng)然,該反應(yīng)收率受溫度影響較敏感,需要控制適宜的反應(yīng)溫度區(qū)間。


化解 chem,一起全合成

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