P III/PV氧化还原循环催化的活化烯烃的还原

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   不饱和羰基化合物的选择性氢化是重要的反应之一。在自然界中,烯酸酯还原酶能够选择性还原α,β-不饱羰基结构中的活性碳-碳双键,这在多个重要合成领域(例如脂肪酸的生物合成)中起着至关重要的作用,在有机合成中,还原反应主要使用过渡金属催化或使用当量的金属氢化物试剂。无金属催化方法可以克服反应产物纯化的一些问题,还可以带来新的有用的反应途径,近年来,已经发展多种还原剂来实现无金属催化碳碳双键的加氢还原。另一种方法是,加入路易斯碱来实现不饱和羰基化合物中碳碳双键的水解。在这方面,烷基磷化合物和N-杂卡宾化合物在室温下具有很好的化学选择性还原碳碳双键。然而,这些试剂比较昂贵而且在反应中需要当量的加入。我们设想磷氧化还原循环作为无金属还原解决这一问题,这个方案具有挑战性。有机磷氧化还原循环催化中,加入有机硅试剂还原活性烷基磷,使得有机磷原位再生完成催化循环。这可以避免当量的氧化膦副产物生成,例如Wittig反应, Appel反应,以及Mitsunobu反应。近年来,Radosevich group发展

了磷氧化还原循环催化a-酮酯、硝基芳烃和磺酰氯化物脱氧加氢反应,另一个例子是Staudinger报道的叠氮化物转化成胺,在这个反应中下,叠氮化合物先被还原生成氮杂磷叶立德,然后其水解释生成胺。基于作者对不加减催化Wittig反应的研究,作者设想在磷氧化还原条件下,烯烃可以通过原位形成磷叶立德,然后其水解来还原烯烃。

作者以富马酸二乙酯(1a)为模型底物,以烷基氧化磷3a为催化剂开始研究,在BuOAc为溶剂,使用过量的硅烷(1.5equiv)和过量的水(3.0 equiv),得到的还原产物收率为95%(表1,条目1)。在80℃的反应条件下,硅烷水解非常缓慢,氧化膦3a的还原进行得很顺利,当把催化剂3a降低到0.5mol%时,产率明下降,当分别使用甲苯,二氧六环作为容积时,产率有所提高,分别为38%,35%,使用甲苯作为溶剂进行催化剂筛选。在磷骨架上引入位阻更大的烷基或芳基时,反应产率较低(entry 56)。此外,其他杂环磷催化剂3d3e也表现不佳(entry 78)。磷氧化还原循环中的常见策略是添加Brønsted acid以促进膦氧的催化循环。然而,当加入5mol%的苯甲酸时,反应只有16%的产率。增大催化剂的量到1 mol%

,反应产率加到大于99%在最佳条件基础上,有些有挑战的底物,催化加的量加到5 mol%,甚至20 mol%.

其他富马酸二酯或马来酸二酯1 b–d还原为相应的琥珀酸衍生物,收率为> 99%。值得注意的是,底物1d中的末端未取代的双键在反应期间保持不变,这表明该方法对缺电子烯烃具有选择性。三取代烯烃1e也是合适的底物,尽管需要更苛刻的反应条件才能获得87%的收率。如Toste课题组报道,由于双键的部分水解,可能以仅39%的产率分离出丙二酸衍生的底物2f。其他双吸电子基团取代烷烃2 g–i

以中等至优异的产率得到产物。当使用2,5-二甲基-1,4-苯醌(1j)作为底物时,在一个双键还原后发生了芳构化,并且分离出二氢醌2j,收率为83%。接下来,将几种不同官能化的芳基取代的马来酰亚胺用作底物,以评估方法的官能团耐受性。总共获得7个琥珀酰亚胺产物2k-q,产率超过90%。使用传统的还原方法不能还原的结构(如芳基氯化物(2l),芳基碘化物(2m),苄腈(2n)或硝基芳烃(2o))时该方法也能很好的耐受。从相应的马来酰亚胺中分离出甲基取代和叔丁基取代的琥珀酰亚胺2 r2 s,分别为76%和98%。单取代的烯烃,例如肉桂酸甲酯或带有β-烷基链的α,β-不饱和酯,该方法不能耐受,即使在高温下也只能观察到较差的转化率。有趣的是,丙烯酸酯也被证明适合该方法,对于2 t–v的底物,观察到中等至良好的产率。源自甘油的丙烯酸酯1w也易于还原,并且以93%的优异产率获得了产物2w。此外,β-硝基苯乙烯(1x)也可以反应,但是仅获得了较差的收率2x。范围扩大到其他不饱和底物,如烯丙基酯1 y,由于部分脱氧氢化产物生成,导致2y的产率仅为33%。炔烃4a也可以还原为相应的烷烃5a。炔烃4b还原得到单一产物5b,产率为99%。

有机磷氧化还原循环催化的一个基本思想是将当量的磷试剂转变为当量的有机硅试剂,这有利于提高反应效率和产物纯化。这进一步提高了硅工业中的废物利用,例如PMHS。尽管PMHS比其他常见的有机硅烷更受欢迎,但是这种聚合物的低活性限制了它的应用。为了考察催化剂3a与作为末端还原剂的低活性硅烷的相容性,作者优化了5种PMHS等价物的反应条件,当利用10mol%的催化剂 3a和5当量的PMHS,以>99%的产率的到产物。


作者提出该反应的机理,可以分为四个步骤:氧化膦还原,迈克尔加成,内鎓盐形成和水解。


首先磷氧化合物在有机硅试剂还原为有机磷化合物,其进一步和底物发生迈克尔加成,得到乙烯基氧负离子的鎓盐,氧负亲核进攻水,得到质子形成烯醇式鎓盐,其发生烯醇式和酮式的互变,得到酮式的叶立徳中间体,其进一步去质子化在水解形成产物,得到磷氧化合物完成催化循环。

  总之, 作者发展了有机磷氧化还原循环催化的活性烯烃的还原,利用水作为氢源,在有水存在的情况下,烷基磷催化剂可以氧化还原循环催化,并使得活化的烯烃选择性还原为烷烃,具有很好的底物普适性,单取代及多取代的活化烯烃都可以很好的反应,产率达到99%,具有很好的官能团耐受性,使用还原剂PMHS价格便宜,同时产率也达到99%,在反应机理研究中,发现膦氧首先还原成相应的P(II),然后与底物发生迈克尔反,在经过质子化/去质子化最终形成一个磷叶立德,然后其水解得到产物。

 

Reduction of Activated Alkenes by PIII/PVRedox Cycling Catalysis

Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2760 –2763 


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