可见光驱动的氯化镍催化sp3碳—氢键的选择性烯基化反应

最近十年，可见光驱动的催化反应取得了快速的发展，究其反应的活化模式，大部分反应是经过电子转移的过程（Electron Transfer）或三线态—三线态能量转移的过程（Triplet-Triplet Energy Transfer）。除了这两种方式之外，氢原子转移的过程（Hydrogen Atom Transfer）也引起了广泛的关注。最近，Macmillan（Science, 2016, 352, 1304）、Knowles（Nature, 2016, 539, 268）、Doyle（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12719）、Glorius（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 16200）等课题分别报道了通过间接的氢原子转移过程实现了sp³碳—氢键的活化。这为sp³碳—氢键的活化提供了一种新的思路。

碳—氢键的烯基化反应是合成三取代烯烃的一种原子及步骤经济性的高效手段。目前该类型反应大多集中在sp²碳—氢键的烯基化反应，而关于sp³碳—氢键的烯基化的报道则非常少。在温和的反应条件下，实现sp³碳—氢键的高选择性的烯基化反应仍然是非常具有挑战的课题。新加坡国立大学化学系的吴杰教授（点击查看介绍）课题组一直致力于可见光诱导的绿色合成化学的研究（Chem. Sci., 2017, 8, 3623；Chem. Sci., 2017, 8, 4654；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16621），最近通过间接的氢原子转移的策略，实现了醚或酰胺的α位sp³碳—氢键的高选择性的烯基化反应。

图1. sp³碳—氢键的烯基化反应模式

经过一系列的条件摸索和优化，作者发现在蓝色18 W LED的照射下，以2 mol%的Ir(CF₃-dFppy)₂(dtbbpy)PF₆作为光敏剂，10 mol% NiCl₂为催化剂，4,4'-叔丁基联吡啶为配体，在60 ℃下反应24-48小时，四氢呋喃的α位sp³碳—氢键与双取代炔烃实现了高选择性乙烯基化反应。该反应广泛地适用于各种双取代炔烃，得到很高的区域及Z/E 选择性生成四氢呋喃加成的三取代烯烃。不同于以前报道的自由基引发剂引发的sp³碳—氢键乙烯基化反应生成官能团加成在芳基炔烃的β-位产物，该反应产物以官能团加成在芳基炔烃的α-位产物为主。

图2. 双取代炔烃的普适性

以苯为溶剂，该方法适用于各种醚或酰胺的α位sp³碳—氢键的高选择性乙烯基化反应，通过与流体化学的结合，该反应能很容易放大到克级合成规模。

图3. 醚或酰胺的α位sp³碳—氢键的普适性以及流动合成放大

在反应机理的研究过程中，通过荧光淬灭实验，作者发现只有催化剂(dtbbpy)NiCl₂能够淬灭激发态的光敏剂Ir(CF₃-dFppy)₂(dtbbpy)PF₆。以波长为300 nm的激光去激发(dtbbpy)NiCl₂和Ir(CF₃-dFppy)₂(dtbbpy)PF₆时，发现最大发射波长分别在360 nm和480 nm处，通过它们的激发态之间相互淬灭的实验现象，表明光敏剂与催化剂相互作用是经过电子转移的过程。

图4. 光敏剂Ir(CF₃-dFppy)₂(dtbbpy)PF₆与催化剂(dtbbpy)NiCl₂的荧光淬灭实验

通过分析反应的氢化及其氢化二聚副产物，以及利用异腈酸酯去捕捉反应中间体，结果表明该反应过程中产生一种“镍—氢”中间体，这种通过可见光驱动的sp³碳—氢键活化方式产生“镍—氢”物种在以前的报道中从未过见。

图5. 揭示反应中间体的控制实验

通过一系列的实验结果，作者提出了反应的可能机理。通过光敏剂与催化剂之间的电子转移过程生成Ni(III)的中间体B。在可见光作用下，中间体B解离一个氯自由基，诱导氢原子转移的过程实现四氢呋喃α位sp³碳—氢键活化，生成四氢呋喃自由基。此自由基经过与镍催化剂的再结合—还原消去—氧化加成的过程生成“Ni(III)-H”中间体F，通过光敏剂的还原，生成“Ni(II)-H”中间体G，最后经过炔烃的插入和亲核取代生成产物以及再生氯化镍催化剂。

该工作发表在Journal of the American Chemical Society 上，新加坡国立大学博士后邓红平博士为该论文的第一作者。

图 6 提出的反应机理

该论文作者为：Hong-Ping Deng, Xuan-Zi Fan, Zhi-Hui Chen, Qing-Hua Xu, and Jie Wu*

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）：

Photoinduced Nickel-Catalyzed Chemo- and Regioselective Hydroalkylation of Internal Alkynes with Ether and Amide α-Hetero C(sp³)–H Bonds

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 13579-13584, DOI: 10.1021/jacs.7b08158

导师介绍

吴杰

http://www.x-mol.com/university/faculty/47864