J. Am. Chem. Soc.|:吖啶/Co光氧化还原共催化,助力苄基邻位选择性C-H氧化

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第一作者:Joshua B. McManus, Jeremy D. Griffin,

通讯作者:David A. Nicewicz

通讯单位:北卡罗来纳大学教堂山分校


研究要点:


1. 非活性苄基邻位选择性C-H氧化反应条件的优化;

2. 非活性苄基邻位选择性C-H氧化反应机理分析


研究背景:


当分子中存在活泼性更高的苄基C(sp3)-H时,选择对脂肪碳上的C(sp3)-H进行反应在有机化学领域具有较大的挑战性。目前,脂肪碳上的C(sp3)-H氧化主要通过特殊的氧化剂,如IBX以及过渡金属、电化学和光氧化还原催化等方法完成(图1)[1-3]。尽管这些方法能够实现C-H功能化,但当存在多个相似的C-H键时,它们的位点选择性并不高、需要导向官能团促进C-H键反应。而且,对于反应活性较低的非苄基位点脂肪烃链上的C-H键活化仍然是一个挑战。
来自北卡罗来纳大学教堂山分校的David A Nicewicz等通过吖啶光氧化还原催化/Co催化双催化体系实现了非苄基位点脂肪链上的C-H键活化。该策略通过光氧化还原催化生成苄基自由基中间体,通过脱氢过程和反马氏规则的Wacker氧化反应生成苄基取代的酮。通过这种机制,能够实现在苄基邻位C-H的选择性氧化。该反应中实现了较高的原子经济性,无需导向官能团,反应产率较好。

图1. 烷基芳烃的氧化


要点1. 非活性苄基邻位选择性C-H氧化反应条件的优化

该反应的目标为丙基苯(1a)转化为苯基-2-丙酮(2a)。456 nm光照后,LiNO3猝灭吖啶的激发态生成能够提取苄基氢原子的引发反应。其中Co能够有效作为提取氢的有效{attr}3209{/attr},进行下一步反应。[CoII]催化活性优于[CoIII],且可以通过HNO3提高催化转换频率。

表1. 反应条件的优化


通过反应进程动力学分析(RPKA)研究催化动力学[4](图2)。在RPKA条件下([1a]0 = 95 mM),反应3 h后达到约15%的转化率。然而,反应迅速终止,在20 h后产率仅40%。这些结果表明,产物抑制或催化剂分解可能会阻碍分子转化。为了探究这些可能性,以较低的1a浓度(65 mM)和30 mM 2a引发反应,以模拟转化率约为30%的反应,其他条件保持一致。结果与RPKA反应曲线相似,但偏移至标准曲线后发现曲线不匹配(图2B)。因此排除产物对反应的抑制作用,并确定反应过程中催化剂可能降解。进一步地,优化了酸添加剂,结果发现二氯乙酸(DCA)作为酸添加剂的产率略优于HNO3。而且,[CoII]负载量从5%提高至10%,DCA具有更好的重复性,因此选择DCA有利于减轻酸引起的Co催化剂的分解。

图2. 1a氧化的动力学曲线


同样地,常用的吖啶光催化剂Mes-Acr+的均三甲基(-Me)容易质子化导致催化剂分解。因此,用F原子取代空间上最易接近的-CH3,得到改性催化剂XylF-Acr+(图3),提高了与其他多种烷基芳烃的亲和力。如图3所示,多种类型的烷基取代的芳烃实现选择性的氧化,并保持较高的反应产率。

图3. XylF-Acr+/Co[II]共催化苄基邻位C-H氧化


要点2. 共催化反应机制

激发态的XylF-Acr+*(Ered* = +2.13 V)与LiNO3(Ep ox/2 = +1.97 V)进行单电子转移反应,生成XylF-Acr和NO3。产生的NO3能够提取1的C(sp3)-H键的H原子,从而生成HNO3和苄基1。同时XylF-Acr•(E1/2ox = -0.54 V)可以与[CoII](E1/2red = -0.51 V)进行单电子转移(SET),再次生成XylF-Acr+和还原的钴催化剂[CoI]-。在酸添加剂的辅助下,[CoI]-发生质子化以形成[CoIII]-H。随后在Co催化剂作用下,1通过脱氢反应生成3,进而发生第二步催化XylF-Acr+/Co双循环。3被激发态光催化剂氧化生成烯烃自由基阳离子3•+,与H2O反应,加成到苄基邻位碳原子上得到2•+。随后去质子和第二次脱氢,在苄基邻位脂肪碳上生成相应的羰基,得到最终产物2。其中Co催化剂在该反应中具有双重作用,它负责(1)提取氢和(2)通过XylF-Acr•的氧化反应进行光氧化还原循环。不仅如此,对于富含电子的化合物(Ep ox/2 < Ered* = +2.13 V),能够直接与XylF-Acr+*发生单电子转移,直接进行苄基邻位碳的氧化反应,扩宽了底物的选择范围。

图4 XylF-Acr+/Co[II]共催化反应机制


工作小结:


总之,本文开发了一种光催化/Co催化双催化体系实现了对反应性较低的非苄基位点脂肪烃链上的C-H键活化。该反应主要通过吖啶的光催化氧化还原和Co催化提取氢,两步循环过程生成苄基取代的酮。而且,该反应具有较高的原子经济性,底物的选择范围广,反应产率较高,有望在化学工业等多个方面的产生一定的影响。


【文章链接】


https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c04422


【参考文献】


1. Baran, P. S.; Zhong, Y.-L. Selective Oxidation at Carbon Adjacent to Aromatic Systems with IBX. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123 (13), 3183-3185.

2. Zhang, W.; Wang, F.; McCann, S. D.; Wang, D.; Chen, P.; Stahl, S. S.; Liu, G. Enantioselective Cyanation of Benzylic C-H Bonds via Copper-Catalyzed Radical Relay. Science 2016, 353 (6303), 1014-1018.

3. Horn, E. J.; Rosen, B. R.; Chen, Y.; Tang, J.; Chen, K.; Eastgate, M. D.; Baran, P. S. Scalable and Sustainable Electrochemical Allylic C-H Oxidation. Nature 2016, 533 (7601), 77-81.

4. Blackmond, D. G. Kinetic Profiling of Catalytic Organic Reactions as a Mechanistic Tool. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137 (34), 10852-10866.

【本文作者】


郎云贺(langyh228@126.com)

吴鹏课题组博士研究生


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