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可见光驱动铱和钴协同催化CO2为碳源的炔烃氢羧化和碳羧化反应:多种杂环构建的新方法

二氧化碳是一种无毒、廉价易得并且储量丰富的可再生C1资源。因此,如何高效利用二氧化碳代替其它C1合成子,如高毒的一氧化碳、光气等一直备受关注。其中,过渡金属催化炔烃与二氧化碳氢羧化和碳羧化的方法合成高附加值的化合物是该领域的研究热点之一(图1a)。尽管该类转化已经得到了广泛的研究,但是可得到的产物类型单一,主要局限于丙烯酸类和2-吡喃酮类化合物。而在已发展的催化体系中,金属还原试剂,比如二乙基锌、硅烷、锰粉和锌粉是不可或缺的。因此,发展一种更加绿色、环境友好并且可得到多样性骨架结构产物的催化体系具有重要的意义和合成价值。


近年来,可见光催化取得了迅速的发展,一系列具有挑战性的化学转化得以实现。最近,新加坡国立大学化学系吴杰博士课题组和赵宇教授课题组共同开发了使用铱和钴协同催化的策略实现了炔烃与二氧化碳光驱动下的氢羧化和碳羧化反应,并且基于此方法构建了多种生物活性的杂环结构(图1b)。

图1. 过渡金属催化炔烃的羧基化反应


研究发现,在Ir(ppy)2(dtbpy)PF6作为光催化剂、CoBr2作为催化剂前体、dcype作为配体,iPr2Net作为还原剂,ZnBr2作为添加剂的条件下,炔烃氢羧化反应能够在室温条件下顺利进行(图2a)。值得一提的是,与其它使用金属还原剂的催化体系相比,该体系能够兼容含溴的底物。另外,如果使用端炔作为底物,反应能够以中等的收率得到[2+2+2]环加成的杂环产物。

图2. 可见光促进钴催化的炔烃氢羧化和[2+2+2]环加成反应


基于芳基烯烃在该反应体系下会发生烯烃异构的反应结果,作者设想是否能够通过一锅法实现氢羧化/烯烃异构/环化,从而得到具有生物活性的香豆素类和喹诺酮类杂环结构(图3)。通过一系列的实验,作者发现在氢羧化反应结束后,直接向反应体系中加入对甲苯磺酸的甲醇溶液,继续光照12 h,可以顺利得到目标产物(图4)。作者认为钴、二氧化碳和炔烃形成的五元环是该催化过程的关键中间体,并基于此提出了该过程的机理(图5)。

图3. 一锅法实现氢羧化/烯烃异构/环化的设想


图4. 一锅法氢羧化/烯烃异构/环化的底物适用范围


图5. 一锅法氢羧化/烯烃异构/环化反应的机理


进一步的研究发现,反应使用酰基保护基团代替MOM保护基时会发生酰基的迁移,并通过进一步的环化可以得到具有生物活性的γ-羟基丁烯内酯类杂环化合物(图6)。当底物芳香环中的氧邻位同时有两个炔基取代时,该体系中能够一步生成苯并呋喃取代的羟基丁烯内酯类化合物(图6b)。作者认为钴、二氧化碳和炔烃形成的五元环中,与钴相连的碳原子可以对酰基进行亲核进攻,进而实现酰基的迁移过程(图7)。

图6. γ-羟基丁烯内酯合成的底物适用范围


图7. 光驱动γ-羟基丁烯内酯合成的反应机理


该催化体系实现了无外加金属还原剂的条件下,使用二氧化碳作为碳源的炔烃氢羧化和碳羧化反应,并成功构建了多种生物活性的杂环骨架结构,为二氧化碳在合成中的利用提供了一种新的环境友好的方法。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc. 上,新加坡国立大学的博士后侯静博士为该论文的第一作者。


该论文作者为:Jing Hou, Aloysius Ee, Wei Feng, Jin-Hui Xu, Yu Zhao 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):

Visible-Light-Driven Alkyne Hydro-/Carbocarboxylation Using CO2 via Iridium/Cobalt Dual Catalysis for Divergent Heterocycle Synthesis

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5257, DOI: 10.1021/jacs.8b01561


导师介绍

赵宇

http://www.x-mol.com/university/faculty/4402


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