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侯召民课题组JACS:钪催化非活化烯烃对甲基硫醚的α-C-H键烷基化

硫醚是一类非常重要的结构,广泛存在于天然产物、活性分子、功能材料和有机分子催化剂中。发展选择性高效构建硫醚结构及其衍生物的方法十分重要。硫醚的C-H键对烯烃加成是一种通过形成C-C键实现硫醚化合物官能化和衍生化的有效途径,原子利用率高。但这类转化极具挑战性,相关的文献报道也十分少见。硫醚中的硫原子可对过渡金属催化剂产生强配位作用,由此造成催化失活影响反应进行。另一方面,C-S键在催化过程中十分不稳定,极易发生断裂。以往的文献报道了几例MeS作为导向基团实现过渡金属催化的C-H键活化以及硫醚α-C-H键的去氢偶联反应。对于硫醚α-C-H键对烯烃的加成过程,人们发展了四氢噻吩α-C-H键在过氧化物的作用下对多氟代烯烃的自由基加成以及铜催化剂与过氧化物协同作用下硫醚α-C-H键对贫电子烯烃的自由基加成。以上反应仅适用贫电子烯烃,并需使用对称结构的烯烃规避区域选择性的问题。


最近,日本理化学研究所(RIKEN)金属有机化学实验室的侯召民教授(点击查看介绍)课题组利用一种半夹心式的钪催化剂Sc-3实现了一系列甲基硫醚α-C(sp3)-H键对烯烃或者二烯烃的区域选择性加成,原子利用率达到100%,由此提供了一种通过在S原子邻位形成C-C键的方法高效制备官能化的硫醚。相关研究发表在Journal of the American Chemical Society 上。

图1. 烯烃对硫醚α-C-H键的官能化反应。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


考虑到杂原子(如氧、氮、硫)和稀土金属中心可以通过两者间的相互作用有效促进稀土金属催化的过程,如烯烃和炔烃的区域选择性甲基铝化反应、芳香化合物邻位C-H键对烯烃的加成反应等。于是作者以正戊基甲基硫醚1a和1-辛烯2a作为模板底物,以甲苯作为溶剂,对不同稀土金属催化剂和Lewis酸添加剂进行筛选,最终在5 mol%的钪催化剂Sc-3和5 mol%的[Ph3C][B(C6F5)4]存在下,反应在70 ℃下进行,能以88%的收率得到硫醚α-C-H键烷基化的产物3a(entry 3),甲基选择性发生C-H键活化。单独使用钪催化剂或者添加剂都没有得到预期产物(entry 9和10),当反应温度升高至90 ℃时,产率没有明显提高。

图2. 反应条件的筛选。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


有了最佳反应条件,作者首先固定硫醚1a,对不同烯烃进行了底物适用性考察。12种底物都取得了中等到优秀的产率,区域选择性非常好。脂肪链状烯烃、芳基、氨基和硅基取代的烯烃等都可以顺利参与反应,芳香基团上含有卤素和甲硫基团的底物也可以与反应兼容,例外的是选用苯乙烯作为底物,反应得到苯乙烯聚合的副产物。

图3. 烯烃底物的适用性考察。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


除此之外,共轭二烯2m也能与1a反应,以86%的产率得到共轭加成的产物3m,1,5-二烯2n2o参与反应,分别以中等的收率得到五元环化产物3n3o

图4. 硫醚和二烯烃的反应。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


作者进一步固定1-辛烯2a,对甲基硫醚底物进行了适用性考察。17种底物也都取得了中等到良好的产率,大位阻的金刚烷取代基修饰的底物也能以90%的高产率得到产物3s,结构复杂的甾体底物也能以81%的产率得到产物3ab,反应得到3ae的产率较低,可能是由于苯环修饰吸电子取代基的影响。将1-辛烯换为活性更高的降冰片烯与甲基苯基硫醚混合,反应也能以86%的高收率得到相应的产物3af

图5. 甲基硫醚底物的适用性考察。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


为了更好的理解反应的机制,作者设计了动力学同位素效应的实验,以1:1的甲基硫醚1q和氘代的甲基硫醚1q-d混合在标准条件下反应,反应在产率达到15%的阶段表现出显著的动力学同位素效应(KIE = 4.5),表明1q1q-d间不存在H/D交换。随后他们分别以1q1q-d作为原料设计平行实验,两者初始反应速率的比值为5.5。以上实验表明甲基C-H键的活化是反应的决速步。

图6. 动力学同位素效应实验。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


根据以上实验结果,作者提出了可能的反应机理。钪催化剂Sc-3先与添加剂[Ph3C][B(C6F5)4]作用形成钪阳离子活性中间体A,甲基硫醚1A的辅助下发生α-C-H键活化形成钪杂三元环中间体B,然后对烯烃2插入得到五元环中间体CC进一步攫取甲基硫醚1的α-H生成最终产物3,并再生中间体B完成催化循环。

图7. 反应可能的机理。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


——总结——


侯召民课题组报道了在半夹心式钪催化剂Sc-3和添加剂[Ph3C][B(C6F5)4]的协同作用下,首次实现了甲基硫醚的α-C(sp3)-H键活化并对非活化烯烃或二烯烃加成,由此形成一系列官能化的硫醚衍生物,原子利用率达到100%。该反应具有良好的区域选择性及官能团兼容性,提供了一种高效的途径构建多种不同的硫醚骨架结构。


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):

α-C-H Alkylation of Methyl Sulfides with Alkenes by a Scandium Catalyst

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 114, DOI: 10.1021/jacs.7b11245


导师介绍

侯召民

http://www.x-mol.com/university/faculty/31089


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