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Science:饱和C-H键和C-C键的“一刀两断”

近年来,过渡金属催化的C-C键活化由于在化学键断裂、重组中发挥重要的作用,因而引起越来越多的关注。C-C键的活化主要通过具有环张力的C-C键对低价金属氧化加成形成环金属物种,进而与不饱和分子发生反应。早在1980年,美国埃默里大学的Liebeskind教授便报道了C-C键活化形成化学计量的环金属物种与炔烃的环加成反应(J. Am. Chem. Soc., 1980, 102, 7397)。随后,Liebeskind教授证实该反应可以通过Ni的催化实现(J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 2771)。1994年,日本京都大学的Murakami教授则报道了Rh催化酰基C-C键的氢化活化(Nature, 1994, 370, 540)。随后,韩国延世大学的Jun教授(J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 880)和Murakami教授(J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 13976)分别实现了Rh催化酮参与的烯烃分子间和分子内碳酰化反应。


尽管目前过渡金属催化的不饱和键对C-C键插入的报道已经屡见不鲜,然而形式上的饱和C-H键对C-C σ键的插入却至今没有实现。近期,美国德州大学奥斯汀分校(UT Austin)的Michael J. Krische教授(点击查看介绍)在Science 上报道了Ru催化下邻二醇的两个邻位α C-H键对苯并环丁烯酮C-C键的插入反应,并且成功地将其应用到II型聚酮类天然产物骨架的构建中。反应不仅具有良好的产率,而且可以得到理想的非对映选择性。

Michael J. Krische教授。图片来源:UT Austin


在过去的研究中,作者报道了α-羟基酯或1,2-二醇在Ru催化剂和二烯的作用下,经由脱氢生成双羰基化合物,从而实现醇α位的C-H键官能化反应(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 15700-15703;J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 3796-3799)。作者推测C-C键活化形成的环Ru中间体也能与1,2-二醇作用,表现出类似的反应性。于是,作者从苯并环丁烯酮1a和外消旋的反式-环己烷-1,2-二醇出发,在Ru3(CO)12和配体dppp的作用下,于110 ℃条件下反应24 h,能以22%的分离收率和顺式非对映异构体选择性得到环加成的产物3a。当使用二甲苯作为溶剂,温度升至150 ℃时,反应的产率可以提升至88%。

图1. Ru催化的苯并环丁烯酮与邻二醇通过C-C键活化实现[4+2]环加成反应构建II型聚酮类天然产物骨架。图片来源:Science


随后在该优化条件下,作者对苯并环丁烯酮和外消旋的反式-环己烷-1,2-二醇的底物范围进行了考察。对于苯并环丁烯酮类化合物,芳香环上不同的取代基,如甲氧基、缩醛、酰胺、卤素等都可以很好地兼容。而作者考察二醇类化合物发现,5-7元环均可以有效地参与反应。烷基脂肪链上的甲氧基、硅醚均能得到兼容。反应的产率高、非对映选择性好,不少产物的结构得到了X射线单晶衍射表征的确认。

图2. 苯并环丁烯酮底物范围的考察。图片来源:Science


图3. 邻二醇底物范围的考察。图片来源:Science


为了证明该反应的实用性,作者对产物3g进行了衍生化研究。芳香亲核取代和Suzuki反应的顺利进行表明产物可进行后续的转化得到其他不同的衍生结构。二醇、α-羟基酮和二酮均可作为原料实现该反应,证明该反应不受氧化还原条件的限制。

图4. 环加成产物3g的衍生化以及氧化还原正交的二醇、酮醇和二酮的环加成反应。图片来源:Science


基于以往的报道,作者对该反应提出如下的机理:苯并环丁烯酮1a对Ru(0)氧化加成生成中间体I。随后与体系中氧化得到的环己二酮作用,经过两次羰基插入得到中间体IIIIII与环己醇的羟基作用生成中间体IV,进而发生β-H消除得到中间体VV经还原消除得到最终产物,同时重新生成Ru(0)物种完成催化循环。

图5. 可能的环加成反应机理。图片来源:Science


——总结——


在该工作中,Michael J. Krische教授课题组实现了Ru催化苯并环丁烯酮与1,2-二醇经由环加成反应构建II型聚酮类化合物骨架分子,实现了C-C键活化和两组C-H键的官能团化。反应具有良好的产率以及优秀的非对映选择性。在后续的研究中,作者发现该工作可能实现相应的对映异构化过程,必将在II型聚酮类药物的合成中发挥重要的作用。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ruthenium-catalyzed insertion of adjacent diol carbon atoms into C-C bonds: Entry to type II polyketides

Science, 2017, 357, 779, DOI:10.1126/science.aao0453


导师介绍

Michael J. Krische

http://www.x-mol.com/university/faculty/360


(本文由ChemHP供稿)


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