碳氢键活化新进展

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    近年来,碳氢键活化在有机合成中扮演者越来越重要的角色。随着新型配体的开发,新反应模式的创造,新型催化剂的设计,碳氢键活化领域愈发成熟。美国Scripps研究所的余金权教授,近日开发出一种高效进行喹啉/异喹啉的C6-H和C7-H活化的方法。
    最早的碳氢键活化主要利用诱导基在邻位进行插入,从而达到对碳氢键官能团化的目的。一类著名的反应是DoM(邻位定向金属化反应,Directed-ortho-Metalation)反应,使用芳环上的含氮官能团或含氧官能团,例如酰胺,络合金属离子,并进行邻位碳氢键的金属化。可惜的是,在脂肪烃的反应中,这一类反应却不能得到很好的推广。


    后来,过渡金属代替了传统的有机锂试剂,使得烯烃也可以在空间取向合适的情况下进行活化,最常见的此类催化剂是金属钯的衍生物。不过,这些反应发展尚不成熟,对于四面体的碳原子,活化效率仍然很低,并且,不能从根本解决间位活化和其他位点活化的难题。




    过渡金属催化的碳氢键活化典型的例子就是Catellani反应。在降冰片烯的参与下,作为辅助配体,可以在更广泛的环境下活化碳氢键,尤其是距离较远的化学键。

    之前的研究人员,已经解决了紧邻导向基的碳原子的选择性活化。以喹啉为例,氮原子紧邻的碳氢键已经能够快捷的活化,但是6,7位的碳氢键区分与官能团化之前仍未得到很好的解决。之前的活化研究在此,供有兴趣的读者自行查阅。

   N-乙酰甘氨酸作为一种单-N保护的氨基酸(MPAA)配体,在这一反应对喹啉和异喹啉的C6-H和C7-H活化有很好的效果。

    研究人员用密度泛函理论(DFT)进行理论计算,表明这是一种罕见的机理,即导向模版与两个钯金属中心配位。具体来说,在C5位协同金属化-去质子化(concerted metallation–deprotonation,CMD)的过程中,MPAA首先是促进该过程,随后解离,为后续的降冰片烯插入提供空配位点;接着导向的氰基解离进入C6位协同金属化-去质子化;最后通过β-碳消除完成C6位活化。


    下面列出反应的几个例子,通过分析不同的底物和反应的产率,可以得到以下规律:催化剂T1适用于C2位无取代的喹啉,T2适用于C2位有取代的喹啉,而T3适用于异喹啉。

    这一类反应的基本模式如下:在诱导基团作用下,钯催化剂结合碳氢键,诱导基解离,钯催化剂夺取碳氢键,发生偶联和迁移。最后一步,还原消除,钯催化剂完成循环。


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