南開大學張弛、於奡教授:有機三價碘試劑HTIB促進的環狀β-二羰基化合物的雙脫氫反應

2021-02-14 中國科學化學

南開大學張弛教授課題組以溫和易得的有機三價碘試劑HTIB(Koser試劑)作為氧化劑，以1,4-二氧六環為反應溶劑，室溫條件下實現了環狀1,3-二羰基化合物的雙脫氫反應，以較高的收率得到對應的2,3-苯並環庚烯酮類化合物。

2,3-苯並環庚烯酮類化合物是一類含有環庚烯酮結構單元的重要化合物，不僅可作為反應中間體，而且其骨架廣泛存在於天然產物分子中。2,3-苯並環庚烯酮的合成方法通常是從其相應環狀前體出發，經歷溴化和脫除溴化氫兩步反應過程。近年來，研究人員使用有機五價碘試劑，如IBX和AIBX，實現了2,3-苯並環庚酮及其衍生物的雙脫氫反應，一步合成2,3-苯並環庚烯酮骨架，但反應收率較低，且需要較高反應溫度，因而使其應用受到了限制。

最近，南開大學張弛教授課題組以溫和易得的有機三價碘試劑HTIB(Koser試劑)作為氧化劑，以1,4-二氧六環為反應溶劑，室溫條件下實現了環狀1,3-二羰基化合物的雙脫氫反應，以較高的收率得到對應的2,3-苯並環庚烯酮類化合物(圖1)。該方法不僅操作簡便，條件溫和，且所需有機三價碘試劑HTIB安全易得，貯存方便。

圖1. 本文報導的環狀β-二羰基化合物的雙脫氫反應。

 此外，作者發現，以結構更為簡單的有機三價碘試劑HMIB作為氧化劑，同樣可以順利地實現底物1n的雙脫氫反應(圖2)。基於此結果，他們與南開大學於奡教授課題組合作，通過實驗方法和DFT計算，對Koser類試劑促進的2,3-苯並環庚酮化合物的雙脫氫反應的機理進行了深入的探究。

圖2. HMIB促進的雙脫氫反應。

結果表明，HMIB在反應體系中可解離為¯OMs陰離子和高活性高價碘中間體PhI＋OH，底物R(1n)的烯醇式R』與游離的¯OMs反應得到烯醇負離子中間體，該中間體緊接著與PhI＋OH作用生成穩定離子對IM1，這一過程所需的能壘為15.9 kcal/mol(TS1)，室溫條件下較易實現。IM1經過過渡態TS2(15.1 kcal/mol)後得到中心碘原子與α-碳鍵合的中間體IM2，IM2通過過渡態TS3得到圍繞三價碘中心的順式異構體IM2』，此能壘值僅為11.9 kcal/mol，使得圍繞三價碘中心的高價扭轉(hypervalent twisting)在室溫下可以順利進行。隨後通過過渡態TS4可實現第一個不飽和碳-碳雙鍵的構建，得到中間體IM3(圖3)。

圖3 構建第一個碳-碳雙鍵的勢能圖。

分子內第二個不飽和碳-碳雙鍵的構建類似於上述過程。值得指出的是，圍繞三價碘中心的順式異構體IM5』甚至比反式異構體IM5穩定(自由能差值1.6 kcal/mol)。另外，雙脫氫反應的限速步為離子對IM4經過過渡態TS6(24.3 kcal/mol)形成反式異構體IM5，而兩次分子內拔b位和d位碳上氫的過程並不是限速步驟(IM2』® IM3和IM5』® 2n)。從總的反應勢能圖可以看出，該反應生成具有大共軛體系的2,3-苯並環庚烯酮類產品(2n)是熱力學非常有利的(圖4)。

圖4 構建第二個碳-碳雙鍵的勢能圖。 

基於上述工作，他們提出了HTIB促進的環狀1,3-二羰基化合物雙脫氫反應的機理(圖5)，為理解有機三價碘試劑作為脫氫試劑反應提供了全新的思路。

圖5 反應機理。

相關成果近期在線發表於Science China Chemistry。詳細內容見：

Shan-Shan Liu, Li Wang, Ya-Nan Duan, Ao Yu, Chi Zhang. Double Dehydrogenation of Carbocyclic β–Dicarbonyl Compounds: Koser's Reagent Can Do What Iodine(V) Reagents Can. Sci. China Chem. 2019, doi: 10.1007/s11426-018-9400-2.

掃描二維碼免費下載全文

--

點擊左下角「閱讀原文」可免費閱讀和下載全文。

相關焦點

  • 人名反應及常見反應(全)
    在有機金屬試劑存在下，羰基化合物可以迅速與其反應，這類反應被稱為Barbier反應。經過二十多年的發展各種路易斯酸（Sc(OTf)3，BF3, GeCl2）都可用於此反應。2011年，四川大學化學學院馮小明教授，以手性氮氧–Sc(OTf)3絡合物催化劑實現了首例催化不對稱Roskamp反應。
  • 可見光促進的無需額外試劑的硼酸酮酸加成反應研究取得進展
    ；然而羰基化合物尤其是酮類化合物接受自由基加成反應特別困難，原因是烷氧自由基中間體容易發生逆向的β-裂解反應（J.　　中國科學院上海有機化學研究所生命有機化學國家重點實驗室陳以昀課題組致力於生物相容可見光化學的發展，近期報導了可見光促進的無需額外試劑的硼酸酮酸加成反應來實現乳酸類化合物的高效合成（J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b09099）。有機硼化合物便宜易得，是常用的烷基自由基前體（J. Am. Chem.
  • 常見的碳碳鍵生成的縮合反應
    醛和α,β-不飽和酮在噻唑鹽的催化下反應製備1,4-二羰基化合物的反應。噻唑鹽是氰離子的安全替代試劑。此反應也被稱為 Michael-Stetter反應，機理和安息香縮合類似。在有機金屬試劑存在下，羰基化合物可以迅速與其反應，這類反應被稱為Barbier反應。P. Barbier最初提出的實驗方案是利用金屬鎂反應，後來被發展為著名的格氏試劑。
  • 人名反應及常見反應(B-C)
    其特點是：（1）反應過程不發生重排；（2）反應為順式加成；（3）與不對稱烯烴加成時，符合反馬爾可夫尼可夫規則。有機硼烷可以發生多種反應，是一個多能的中間體，可以用來合成多種類型的有機化合物。例如：烯烴的硼氫化-氧化反應可以製備醇；炔烴的硼氫化-氧化可以製備醛和酮，用其他有機試劑替代過氧化氫也可用於製備胺、滷代烷等。
  • 金屬催化反應小結
    在1984年G.A.Molander第一次報導了在分子內發生的此反應，ω-碘代酯在二碘化釤和催化量的三價鐵鹽的存在下發生分子內的醯基取代反應，並進一步發生此反應生成複合多環脂烴。現在此類反應被統稱為Kagan-Molander二碘化釤介導偶聯。十七、Kochi-Fürstner偶聯反應(Kochi-Fürstner Cross Coupling)
  • 【人物與科研】天津大學馬軍安教授課題組:通過三氟重氮乙烷與亞胺的Mannich反應製備β-CF3-胺
    近日，天津大學的馬軍安教授課題組在該領域取得了新突破，通過三氟重氮乙烷與亞胺的Mannich反應製備β-CF3-胺（Scheme 1c）。相關研究成果發表於Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.8b02816）。
  • 書籍分享||有機氧化反應原理與應用
    五、氧化劑和還原劑5第一章烷烴的氧化與脫氫第一節烷烴的氧化7第二節烷烴的脫氫反應12第二章烯烴的氧化第一節雙鍵的氧化斷裂反應17一、烯烴的高錳酸鉀氧化17二、烯烴的重鉻酸鹽氧化23三、烯烴的臭氧氧化23四、雙鍵的其他氧化劑氧化斷裂30第二節烯烴的二羥基化31一、烯烴的高錳酸鉀氧化31二、烯烴的四氧化鋨
  • 有機化學考研總結——第六彈(縮合反應、胺、含氮芳香化合物)
    酮式——烯醇式互變α-H活性越強，越利於烯醇式（可視為分子內酸鹼反應）β-二羰基化合物中，由於烯醇式能形成分子內氫鍵，故非質子溶劑由於避免了O的質子化而利於烯醇式。(1) 烯醇化歷程a. 酸性：羰基質子化，吸電子效應更強，促使α-H電離。b. 鹼性：形成碳負離子，經結構互變得烯醇負離子。
  • 縮合反應丨縮合反應機理
    縮合反應的機理主要包括親核加成-消除 (各類親核試劑對醛或酮的親核加成-消除反應), 親核 加成 (活性亞甲基化合物對α,β-不飽和羰基化合物的加成反應)、 親電取代、 環加成 ([4+2] 環加成,1,3-偶極環加成) 等。
  • 【考研有機化學知識點最強總結】適合第一輪看完書後複習
    與鹽發生交換反應，合成某些金屬有機化合物烯丙位上的亞甲基/甲基可用Cr(Ⅵ)或SeO2氧化為羰基，得到α,β-不飽和酮1）滷化氫與不對稱烯烴起加成反應在沒有過氧化物存在的情況下得到的主要產物是滷原子加在含氫較少的雙鍵碳原子上所生成的化合物
  • 有機考研必懂的20個有機反應機理
    過酸先與羰基進行親核加成，然後酮羰基上的一個烴基帶著一對電子遷移到-O-O-基團中與羰基碳原子直接相連的氧原子上，同時發生O-O鍵異裂。因此，這是一個重排反應  酮類化合物用過酸如過氧乙酸、過氧苯甲酸、間氯過氧苯甲酸或三氟過氧乙酸等氧化，可在羰基旁邊插入一個氧原子生成相應的酯，其中三氟過氧乙酸是最好的氧化劑。這類氧化劑的特點是反應速率快，反應溫度一般在10~40℃之間，產率高。
  • 雜環的鋰化反應在有機合成中的應用
    有機鋰試劑通常通過烷基鋰促進的滷素－鋰交換，或者是用烷基鋰或鋰醯胺在雜環原子最具酸性和穩定性的位置直接去質子作用。本文簡單介紹了一些芳香雜環化合物的鋰化反應。1.芳香五元環用正丁基鋰的溴－鋰交換製備的N-矽醚保護的2位吡咯鋰已經用於全合成海洋生物鹼(＋)和(－)Dragmacidin F中對手性Weinreb醯胺的加成反應[2]。
  • 常見的碳碳單鍵生成的縮合反應
    烯醇矽醚為烯醇負離子的等效體，但其親核性不夠強，不能直接與酮反應，因此需要加入路易斯酸以活化羰基。三、Evans羥醛縮合反應醛和α,β-不飽和酮在噻唑鹽的催化下反應製備1,4-二羰基化合物的反應。噻唑鹽是氰離子的安全替代試劑。此反應也被稱為 Michael-Stetter反應，機理和安息香縮合類似。
  • 常用試劑----L-天冬氨酸
    【製備和商品】 該試劑為商品化試劑，多為外消旋或光學純白色固體[1]。【注意事項】 該試劑為天然產物，無毒。-L-天冬氨酸常用作非對映烷基化反應的手性底物，並且可作為手性源合成其它手性化合物等。非對映選擇性烷基化 L-天冬氨酸酯能夠在 α-和 β-位發生烷基化 (式 1)[2]，其中 β-烷基化反應的應用最為廣泛。在 β-烷基化反應進程中，胺基酸部分對該反應的非對映選擇性有著重要的影響。同時，也可通過 L-天冬氨酸的環狀衍生物發生 β-烷基化而製備 β-二羰基化合物[3]。
  • Angew:NHC催化實現烯烴的自由基醯基氟烷基化反應
    近日，成都大學四川抗生素工業研究所李俊龍教授課題組和成都中醫藥大學韓波教授課題組共同合作在Angew發表論文，報導了通過N-雜環卡賓有機催化多組分反應，實現烯烴與芳族醛、氟烷基試劑的自由基醯基氟烷基化反應。值得注意的是，該催化體系，包括苯乙烯、環狀內部烯烴、吲哚、乙烯基醚、乙烯基酯、未活化的簡單烯烴等，均體現較好的兼容性。
  • 鎳催化的反應
    在室溫下用鎳催化劑催化實現了遠端CSp3-H鍵選擇性芳基化反應(圖4)，反應經由烯烴異構化過程。這個反應可以用來製備1, 1-二芳基取代的烷烴,多種取代基取代的烯烴和芳基碘化物都可以作為反應底物，且反應具有卓越的區域和化學選擇性。烷基滷代烴的遠端親電交叉耦合反應(圖2) 。 反應初始階段，在烷基滷代烴C-X鍵原位形成Ni-H化合物中間體，隨後發生快速「鏈行走」過程。
  • 武漢理工大學張成潘教授課題組近年來研究工作進展
    通過改變底物、鋶鹽和鹼的摩爾比，他們可以選擇性實現對一級胺的單次或雙次N-芳基化。該方法底物適用範圍廣，無論是脂肪胺，還是芳香胺底物，均能以良好至優秀的產率得到目標產物；並且所使用的試劑三芳基鋶鹽製備容易、反應活性適中，與相應的二芳基碘鹽相比具有更好的熱穩定性，因此以其為芳基化試劑的N-芳基化反應具有明顯的優勢。
  • 酯化反應匯總
    一、Shiina大環內酯化反應羥基羧酸利用2-甲基-6-硝基苯甲酸酐(MNBA; Shiina試劑)，催化量的縮合劑(DMAP, DMAPO, PPY, etc)和三級胺，在溫和的條件下進行大環內酯化的反應。此反應是東京理科大學的Isamu Shiina教授在1994年率先報導的，當時是用路易斯酸催化反應。
  • 路易斯酸/Brønsted鹼催化的羰基化合物α-位不對稱胺化反應
    最近十幾年隨著有機雙官能團小分子催化劑的蓬勃發展，手性碳氮鍵的構建也越來越多樣化和高效化。雖然這些催化劑對高活性的α-羰基化合物具有很好的催化活性，但對於未活化的羰基化合物卻表現出很低的催化活性。正是在這樣一個背景下，來自美國波士頓學院的Masayuki Wasa博士等人發現了由強路易斯酸B(C6F5)3和大位阻的鹼PMP（1,2,2,6,6-五甲基哌啶）組成的FLPs類型催化劑，成功實現了未活化的羰基化合物和偶氮化合物的胺化反應（Scheme 1）。
  • 雙金屬有機合成試劑研究獲進展
    金屬有機化合物作為合成試劑廣泛應用於合成化學有關的各個領域，一直受到學術界和工業界的極大關注。常見的金屬有機合成試劑如有機鋰試劑、格氏試劑等都是單金屬試劑。從概念上講，如果一個分子中存在兩個或者多個碳-金屬鍵，則構成雙或者多金屬有機化合物。雙或者多金屬有機化合物中的碳-金屬鍵之間，在有機橋聯的配合下，將可能發生協同作用，經過與底物作用後生成的物種也可能進一步發生協同作用，從而表現出不同於其相應單金屬試劑的反應類型，甚至表現出全新的反應模式。