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華中師范大學(xué)肖文精/陳加榮團(tuán)隊(duì)JACS:光/銅協(xié)同催化芳基烯烴自由基陰離子的不對(duì)稱氰基官能團(tuán)化反應(yīng)

來(lái)源:華中師范大學(xué)      2024-01-10
導(dǎo)讀:近日,華中師范大學(xué)肖文精/陳加榮團(tuán)隊(duì)利用光氧化還原催化與銅催化協(xié)同的催化模式,實(shí)現(xiàn)了芳基烯烴經(jīng)由自由基陰離子過程的高對(duì)映選擇性氫氰化、氘氰化以及羧基氰基化反應(yīng)。相關(guān)成果發(fā)表在JACS上。文章鏈接DOI:10.1021/jacs.3c10439

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正文

烯烴自由基離子的轉(zhuǎn)化是一類由烯烴合成有價(jià)值的化合物的強(qiáng)大而有效的途徑,這類高活性中間體兼具自由基的活性與離子的性質(zhì),因而有著獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)性。在過去的幾十年里,化學(xué)家們對(duì)烯烴自由基陽(yáng)離子的合成化學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究,然而,烯烴自由基陰離子的合成應(yīng)用相對(duì)較少(圖1a),主要是因?yàn)楦浑娮拥南N被單電子氧化較為容易,而對(duì)烯烴的普適可控的單電子還原卻較難實(shí)現(xiàn)。烯烴自由基陰離子的生成通常需要使用強(qiáng)還原的催化體系,然而這些體系往往難以避免過度還原。為了解決這些問題,亟需開發(fā)一種新的催化體系來(lái)實(shí)現(xiàn)烯烴的可控單電子還原。

近期一系列研究表明可見光氧化還原催化是實(shí)現(xiàn)烯烴的單電子還原的有力工具(ACS Catal. 2021 11, 5472, Nat. Catal. 2021, 4, 304; Nat. Catal. 2023, 6959; Eur. J. Org. Chem. 2021, 773; J. Am. Chem. Soc. 2023145, 25098.),但這些反應(yīng)中,大多需要使用當(dāng)量的還原犧牲劑,使得對(duì)自由基陰離子的化學(xué)選擇性和立體選擇性的精準(zhǔn)控制極具挑戰(zhàn)性?;陂L(zhǎng)期以來(lái)在光催化和銅催化方面的工作基礎(chǔ),華中師范大學(xué)肖文精/陳加榮團(tuán)隊(duì)報(bào)道了有機(jī)光氧化還原催化和不對(duì)稱銅催化相結(jié)合的策略,實(shí)現(xiàn)了烯烴自由基陰離子的可控生成,并以雙重活性中間體的正交模式實(shí)現(xiàn)了幾類烯烴的對(duì)映選擇性氰基官能化反應(yīng)(圖1)。

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圖1:反應(yīng)設(shè)計(jì)

作者使用對(duì)苯基苯乙烯1a作為模型底物,水作為質(zhì)子源,TMSCN做親核試劑進(jìn)行了詳細(xì)的條件篩選,發(fā)現(xiàn)在以DMA作溶劑、噻吩-2-甲酸銅以及雙噁唑啉配體L1做為手性催化劑、酚噻嗪類光催化劑、390 nm的光照射下反應(yīng)5 h能夠最佳以95%核磁收率,92%的ee獲得目標(biāo)產(chǎn)物4a??刂茖?shí)驗(yàn)表明:銅催化劑、光催化劑以及光照對(duì)反應(yīng)都是必需的(圖2)。

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圖2:條件優(yōu)化

在確定最佳反應(yīng)條件后,作者對(duì)底物范圍進(jìn)行了考察,如圖3所示,通過運(yùn)用不同的光催化劑,芳基烯烴芳環(huán)上各種給電子取代與吸電子取代基,以及連有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的底物均能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)化。當(dāng)反應(yīng)擴(kuò)大到7.0 mmol時(shí),產(chǎn)率和ee值都能夠得到保持。隨后,作者將親電試劑由水更換為氘水以及5 atm二氧化碳,成功實(shí)現(xiàn)了烯烴的不對(duì)稱氘氰化與羧基氰基化反應(yīng),并對(duì)底物進(jìn)行拓展,同樣展現(xiàn)出廣泛的底物適用范圍,為氘代化合物的合成以及二氧化碳的轉(zhuǎn)化提供了新的途徑。

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圖3:底物拓展

為了考察該反應(yīng)的實(shí)用性,作者對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了合成轉(zhuǎn)化,合成了一系列手性的非甾體抗炎藥,同時(shí)氘氰化產(chǎn)物也能夠轉(zhuǎn)化為相應(yīng)氘代藥物(圖4)。

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圖4:產(chǎn)物合成轉(zhuǎn)化

為了闡明反應(yīng)機(jī)理,作者進(jìn)行了機(jī)理研究(圖5)。首先,利用碘甲烷代替水做親電試劑,可以得到少量甲基氰基化產(chǎn)物,說明反應(yīng)可能涉及自由基陰離子中間體。在不加入CuTc/L1的條件下,使用甲醇或水做親核試劑,可以得到相應(yīng)甲醇化或水化產(chǎn)物,可能是由芐基自由基被氧化態(tài)光催化劑氧化為芐位碳正離子后的產(chǎn)物,這表明光催化劑與烯烴之間存在著直接作用。自由基捕獲以及自由基鐘實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了反應(yīng)涉及到了自由基中間體。在與蔣敏教授的合作下,利用EPR技術(shù)對(duì)反應(yīng)中可能涉及到的中間體進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)表明激發(fā)態(tài)光催化劑與烯烴發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生了烯烴自由基陰離子。取代基電性效應(yīng)Hammett研究結(jié)果表明,吸電子基取代的底物(即缺電子烯烴)反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于給電子基底物,這進(jìn)一步佐證反應(yīng)是單電子還原的過程。在與張之涵教授的合作下,作者對(duì)于對(duì)映選擇性芐位C?CN鍵的形成進(jìn)行了DFT計(jì)算(圖6b)。計(jì)算表明,在還原消除過程中,空間位阻效應(yīng)導(dǎo)致過渡態(tài)TSRE-S能量比TSRE-R能量低2.0 kcal/mol,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物高對(duì)映體選擇性的精準(zhǔn)控制。最后,根據(jù)機(jī)理研究和相關(guān)文獻(xiàn),作者提出了如圖6a所示的可能反應(yīng)途徑。

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圖5:機(jī)理研究

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圖6:可能的反應(yīng)機(jī)理


總結(jié)


肖文精/陳加榮團(tuán)隊(duì)運(yùn)用光氧化還原催化與銅催化協(xié)同催化的策略,實(shí)現(xiàn)芳基烯烴自由基陰離子的可控生成與正交轉(zhuǎn)化,以良好的底物兼容性與高對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)了烯烴氰氫化、氰氘化、氰羧化反應(yīng),首次報(bào)道了烯烴自由基陰離子中間體的不對(duì)稱轉(zhuǎn)化,為探索烯烴自由基陰離子的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化提供了新的藍(lán)圖。

該研究成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上。通訊作者為肖文精教授、陳加榮教授。華中師范大學(xué)博士研究生張斌為第一作者。此外,杭州師范大學(xué)的蔣敏教授為EPR研究提供了重要支持。華中師范大學(xué)的張之涵教授提供了重要的理論計(jì)算研究。


文獻(xiàn)詳情:

Bin Zhang, Tian-Tian Li, Zhi-Cheng Mao, Min Jiang, Zhihan Zhang, Ke Zhao, Wen-Yuan Qu, Wen-Jing Xiao*, and Jia-Rong Chen*

Enantioselective Cyanofunctionalization of Aromatic Alkenes via Radical Anions
J. Am. Chem. Soc. 2024,
DOI: 10.1021/jacs.3c10439

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