当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › Nature Chem.:钯催化的β-消除反应活化碳-碳键和碳-杂键

Nature Chem.:钯催化的β-消除反应活化碳-碳键和碳-杂键

构建C-C键和C-X键是有机合成和药物合成领域重要的研究内容。经过多年的努力,人们在利用过渡金属(如Ni、Ru、Rh和Fe)催化C-O、C-N和C-C键活化方面取得了突破性的进展,这些反应主要基于氧化加成过程进行(图1)。然而,通过氧化加成的方式活化C-C和C-X键需要借助富电子的金属中心,并且能够活化的化学键也存在限制。以C-O键为例,只有芳基、乙烯基、苯基或者烯丙基与氧原子形成的共价键或者张力环(如环氧化合物)中的C-O键才能活化。这些限制不利于氧化加成的方式对强共价键进行活化,因此还需要发展更好的方法作为补充。

图1. 过渡金属(如Ni、Ru、Rh和Fe)催化C-C和C-X键的活化。图片来源:Nat. Chem.


最近,美国斯克利普斯研究所Keary M. Engle 教授(点击查看介绍)等人在催化体系中引入很少应用的β-消除反应,借助烷基钯中间体促进的β-消除反应即可活化稳定的C-C键和C-X键。该反应有助于实现不同化合物之间的转换,如将廉价的天然氨基酸转化为价值更高的非天然氨基酸,具有很重要的应用潜力。相关工作发表在Nature Chemistry 上。

图2. 基于烷基钯中间体催化的β-消除反应活化C-C和C-X键的机理。图片来源:Nat. Chem.


图3. Keary M. Engle教授(右)与本文一作Van T. Tran(中)、二作John A. Gurak Jr(左)。图片来源:Scripps Research Institute


为了研究该方案的可行性,作者选择正丁酸与8-氨基喹啉(8-aminoquinoline,AQ)的酰胺化合物(γ位修饰不同的离去基团)作为模板底物(图4)。优化条件后,作者最终选定Pd(OAc)2作为催化剂、1-金刚烷基羧酸作为促进剂、乙腈作为溶剂,反应在120 ℃下进行16小时。另外,作者还考察了其他的廉价羧酸(如特戊酸)用作促进剂,所得到的目标产物产率几乎相当。作者还研究了以N-甲基咪唑作为亲核试剂,离去基团不同时反应的结果(图4)。很明显,反应产率的变化与离去基团的离去能力不存在明显的相关性。以1e1f为例,醋酸(pKa = 4.8)和甲醇(pKa = 15.5)的pKa值相差极大,但是以乙酸基和甲氧基作为离去基团时反应的产率非常接近。该反应不符合SN2机理,离去基团分别为苄氧基(1d)、甲氧基(1f)和三异丙基硅氧基(1h)时反应结果都较好。对于该反应,C-O键的活化效率较高,C-N键的活化效率稍微降低。意外的是,1q中硝基作为离去基团,反应同样可以发生,产率为34%。活化C-C键时效果更差,产率最高只有32%(1s)。当底物为1s-1v时,即使没有张力环的帮助,位阻较大的C-C键依然能够活化。作者利用该方法还实现了烷基C-F键和C-S键的活化,甚至底物存在支链(在α或者γ位含有取代基)时反应也可以进行,由此证明烷基钯中间体在活化C-C键和C-X键方面应用广泛。另外,受到苯酚衍生物能够发生Fries和Claisen重排的启发,作者推测在该催化体系下离去基团也可以作为亲核试剂(如1g1i)发生[1,3]-重排反应。在不加入任何外源亲核试剂时,1g或者1i作为底物反应48小时,可以得到相应的产物2j(产率25%)或者1j(产率39%),证明了[1,3]-重排过程的存在。

图4. 以N-甲基咪唑作为亲核试剂,底物修饰不同种类的离去基团时反应的产率。图片来源:Nat. Chem.


为了评估不同的亲核试剂参与反应时的效果,作者以1a作为底物,引入富电子芳香烃和1,3-二羰基类的C-亲核试剂参与反应时具有不错的产率(图4)。N-亲核试剂时参与反应也可以得到中等到极高的产率。从反应结果来看,利用包含离去基团的底物实现C-O或者其他C-X键与C-C或者C-N键的复分解过程比相应的烯烃更容易实现(图5)。另外,作者还研究了该体系在催化氨基酸转换和非张力环开环方面的应用,反应的产率和区域选择性都较好,由此展现了该方法的应用潜力。

图5. 以1a作为反应底物,亲核试剂种类不同时反应的产率。图片来源:Nat. Chem.


图6. Pd(II)催化活化实现氨基酸转换和非张力环的开环过程。图片来源:Nat. Chem.


总结


Keary M. Engle 教授利用催化反应中很少涉及的β-X消除反应,设计了一种Pd(II)催化体系以活化强共价键,包括C(sp3)-O、N、C、F和S键,具有广泛的适用范围。强共价键活化后,非经典的C-和N-亲核试剂也可参与亲核取代反应。除此之外,基于Pd(II)催化体系,他们还实现了新型的[1,3]-重排反应、氨基酸转化和非张力环的开环过程,由此体现了β-X消除过程在用于设计强共价键的催化活化反应中具有重要的意义。


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):

Activation of diverse carbon–heteroatom and carbon–carbon bonds via palladium(II)-catalysed β-X elimination

Nat. Chem., 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0110-z


导师介绍

Keary M. Engle 

http://www.x-mol.com/university/faculty/49740


如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

2022年中国科研人员写作有奖调研
最新CiteScore引用分出炉
Nano Research Energy纳米科学1区
618化学、材料科学图书钜惠
药物警戒和药物安全
陶瓷、玻璃及复合材料领域的国际期刊
Gut Microbes专注于肠道菌群领域
Blood征稿
中日韩建筑学会合办期刊
Blood Advance征稿
默克材料解决方案
爱思唯尔清华大学合作新刊
有道词典
Nature学术期刊平台培训
亚洲与全球经济特刊征稿
SpringerMaterials-材料数据的快速、权威解决方案
SN Applied Sciences电池
Discover Chemical Engineering
langmuir lecture
Frontiers出版社与浙江大学伙伴关系
Drug Delivery 给药系统
SN Applied Sciences期刊征稿
Discover Sustainability特刊征稿
绿色化学跨学科研究方法
农用化学品对水质影响合集征稿
默克化学品
屿渡论文,编辑服务
浙大
香港
KU
浙大
刘鸣炜
UCLA
席雨濛
天大
纽约
上海中医药-连续6个月
南科大
香港中文
上海交大
隐藏1h前已浏览文章
课题组网站
新版X-MOL期刊搜索和高级搜索功能介绍
ACS材料视界
天合科研
x-mol收录
试剂库存
down
wechat
bug