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不飽和鍵的雙官能團(tuán)化是一種能夠通過(guò)一步反應(yīng)將兩種不同官能團(tuán)引入到同一前體的合成策略，具有步驟經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，在有機(jī)合成領(lǐng)域中扮演著舉足輕重的角色。三氟甲基具有高穩(wěn)定性、強(qiáng)電負(fù)性和良好的脂溶性，三氟甲基的引入往往使化合物的生物活性發(fā)生顯著改變，因此在藥物和農(nóng)藥的開(kāi)發(fā)中，涉及三氟甲基化的反應(yīng)具有很高的研究?jī)r(jià)值。其中，氰基三氟甲基化反應(yīng)能夠?qū)煞N有價(jià)值的官能團(tuán)（CN和CF₃）同時(shí)合并到一個(gè)化合物中。目前該反應(yīng)主要集中在不飽和C=C和C≡C鍵的雙官能團(tuán)化上，得到將CN和CF₃分別連接在相鄰的兩個(gè)碳上的產(chǎn)物。然而，對(duì)于在同一個(gè)碳上同時(shí)引入CN和CF₃兩種官能團(tuán)的反應(yīng)尚未報(bào)道。

近日，華東理工大學(xué)劉培念教授課題組報(bào)道了一個(gè)多組分的異氰類(lèi)化合物的氰基三氟甲基化反應(yīng)；該反應(yīng)能通過(guò)一鍋法將CN和CF₃兩種官能團(tuán)同時(shí)連接到同一個(gè)碳上，得到三氟甲基取代的腈類(lèi)化合物。另外，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可以步驟經(jīng)濟(jì)性地合成得到三氟甲基取代的胺及亞胺類(lèi)化合物（圖1）。

圖1. 異氰的氰基三氟甲基化反應(yīng)及衍生

（來(lái)源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

異氰類(lèi)化合物是現(xiàn)代有機(jī)合成中一類(lèi)重要的C1合成子，其獨(dú)特的電子特性使得它們不僅可以與親電試劑、親核試劑以及自由基反應(yīng)，而且可以在過(guò)渡金屬催化的反應(yīng)中插入金屬-碳鍵和金屬-雜原子鍵中。近年來(lái)，異氰類(lèi)化物與氟試劑的反應(yīng)雖然報(bào)道了很多，但是這些反應(yīng)的反應(yīng)模式大同小異：均是經(jīng)過(guò)原位生成的氟自由基與異氰基碳加成，然后進(jìn)行分子內(nèi)環(huán)化。劉培念課題組由聯(lián)苯基異氰出發(fā)，利用Togni’s試劑作為三氟甲基化試劑，TMS-CN作為氰基化試劑，在銅催化下實(shí)現(xiàn)了異氰類(lèi)化合物的氰基三氟甲基化反應(yīng)。該項(xiàng)成果通過(guò)多組分的合并策略實(shí)現(xiàn)了異氰類(lèi)化合物的同一個(gè)碳上的氰基三氟甲基化反應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)碳上的雙官能化反應(yīng)，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

作者以聯(lián)苯-4-異氰為模板反應(yīng)底物進(jìn)行反應(yīng)條件的篩選。在銅催化下，Togni’s試劑釋放三氟甲基自由基與聯(lián)苯-4-異氰發(fā)生加成反應(yīng)，然后與TMS-CN反應(yīng)，一鍋實(shí)現(xiàn)了異氰類(lèi)化合物的氰基三氟甲基化。接著，作者在篩選所得最優(yōu)條件下進(jìn)行異氰底物拓展，結(jié)果顯示：苯環(huán)上的取代基，包括給電子及吸電子基團(tuán)、單取代及多取代的基團(tuán)均可以較好的收率獲得目標(biāo)產(chǎn)物。同時(shí)該反應(yīng)也適用于萘基異氰及雜環(huán)類(lèi)異氰，包括二苯并呋喃、咔唑和吲哚等（圖2）。

圖2. 底物普適性研究

（來(lái)源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

為了更深入地研究反應(yīng)的合成應(yīng)用價(jià)值，作者對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了各種轉(zhuǎn)化。作者巧妙地用BH₃為還原劑，實(shí)現(xiàn)了三氟甲基取代的1,2-乙二胺類(lèi)化合物（4）高效合成。利用氰基作為離去基團(tuán)，通過(guò)控制加入鋰試劑的量，實(shí)現(xiàn)了催化產(chǎn)物向各種取代的胺（5和6）和亞胺（7-10）的可控轉(zhuǎn)化。另外，利用氰基作為離去基團(tuán)的策略也能將產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為亞胺醚（11）和苯甲脒（12）。除此之外，作者對(duì)抗抑郁藥阿莫沙平和非鎮(zhèn)靜抗組胺藥地氯雷他定進(jìn)行修飾，成功將CF₃引入到相應(yīng)藥物中（13和14）。

圖3. 催化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化

（來(lái)源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

為了深入了解氰基三氟甲基化反應(yīng)的機(jī)理，作者使用化學(xué)計(jì)量的2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基（TEMPO）作為自由基捕獲劑，結(jié)果表明氰基三氟甲基化反應(yīng)被完全抑制，并且獲得了TEMPO-CF₃加合物，表明氰基三氟甲基化反應(yīng)可能涉及自由基過(guò)程。此外，電子順磁共振（EPR）譜的研究表明在氰基三氟甲基化過(guò)程中有 [Cu^II] 中間體產(chǎn)生。綜上，作者提出該反應(yīng)的可能機(jī)理：首先，三氟甲基試劑2a和TMS-CN被 [Cu^I] 活化產(chǎn)生三氟甲基自由基、氰基負(fù)離子、二價(jià)銅絡(luò)合物以及三甲基甲硅烷基2-碘苯甲酸酯（通過(guò)GC-MS檢測(cè)到），然后三氟甲基自由基與異氰的N=C:鍵加成得到亞胺自由基中間體A；中間體A被與[Cu^II] 和氰基負(fù)離子捕獲形成中間體B，最后中間體B發(fā)生還原消除反應(yīng)生成最終產(chǎn)物3，并實(shí)現(xiàn)了催化量的一價(jià)銅絡(luò)合物的循環(huán)（圖4）。

圖4. EPR實(shí)驗(yàn)和可能的反應(yīng)機(jī)理

（來(lái)源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

該發(fā)現(xiàn)首次實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)碳上的雙官能化反應(yīng)，可以進(jìn)行多種重要的化合物的高效合成，并且實(shí)現(xiàn)了抗抑郁藥阿莫沙平和非鎮(zhèn)靜抗組胺藥地氯雷他定的CF₃官能化，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

劉培念課題組簡(jiǎn)介：

劉培念，博士，教授，博士生導(dǎo)師，上海市“東方學(xué)者”特聘教授。研究工作圍繞功能有機(jī)分子的反應(yīng)與性質(zhì)，以超高真空掃描隧道顯微鏡為手段在單分子水平對(duì)功能有機(jī)分子的表面合成反應(yīng)和新型低維納米材料構(gòu)建進(jìn)行了一系列具有原創(chuàng)性的研究。另外，通過(guò)過(guò)渡金屬催化，創(chuàng)新性地發(fā)展出一系列在溶液中進(jìn)行的新型有機(jī)合成反應(yīng)，構(gòu)建了各種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能有機(jī)化合物。已經(jīng)以通訊作者或第一作者發(fā)表SCI論文75篇，其中近5年以通訊作者在Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano.、ACS Catal.等期刊發(fā)表SCI 論文52 篇（IF>4: 44篇，IF>10: 9篇）。所發(fā)表論文共計(jì)SCI他引1400余次，單篇SCI 他引最高為150余次。入選了國(guó)家基金委“界面光電分析化學(xué)基礎(chǔ)研究”創(chuàng)新研究群體（2015年），教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（2013年）和上海市“浦江人才”計(jì)劃（2009年）。近年來(lái)主持了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)和省部級(jí)項(xiàng)目9項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目1項(xiàng)和創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目1項(xiàng)。

課題組鏈接：http://pnliu.ecust.edu.cn/main.htm