香港大学支志明教授课题组：醌型卡宾的分子间sp3碳氢键插入反应及其自由基机理

金属卡宾碳氢键插入反应，特别是利用α-重氮酯类化合物作为卡宾前体，是一类重要的碳氢键烷基化方法（图1a）。近些年来，醌型卡宾（quinoid carbene, QC）的碳氢键插入反应开始得到关注，主要因其醌型结构在插入后会重排成苯酚基团，继而可实现碳氢键的芳基化反应。但是由于醌型卡宾活性较低，大多插入反应都局限于sp²碳氢键，而其中关键的碳氢键活化步骤要么由金属完成（cyclometallation），要么作为非决速步骤在醌重排为苯酚时发生（如Chem. Eur. J., 2018, 24, 4815，其中KIE<1）。最近，香港大学支志明教授（点击查看介绍）课题组分离并研究了一系列二价钌（Ru^II）醌型卡宾配合物（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9027），并发现这些金属卡宾化合物除了卡宾转移反应活性外，还可与sp³碳氢键进行当量的氢转移（hydrogen atom transfer, HAT）反应。基于这一发现，他们通过将金属中心从Ru^II变为较为亲电的三价铱Ir^III，成功实现了醌型卡宾sp³碳氢键插入反应的催化循环并直接得到碳氢键芳基化产物（图1b）。相关结果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed. 上。

图1. 研究背景。本文的铱催化醌型卡宾sp³碳氢键插入反应，主要基于钌醌型卡宾配合物的氢转移反应性研究（J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 9027）。

图2. 底物扩展

如图2所示，在铱卟啉催化剂[Ir(OEP)Me]的作用下，醌型卡宾可被插入到活泼的sp³碳氢键底物中。如果以1,4-环己二烯为碳氢键底物，该芳基化反应时间可短至40分钟，产率可接近定量，并可实现克级制备。有趣的是，在以3-环己烯作为底物时，主产物为重排后产物13a（图2虚线内）。

图3. 机理研究小结

本文的重点为机理研究，因为自由基机理在分子间的金属卡宾碳氢键插入反应中十分罕见。作者对催化循环中每一个反应中间体及步骤都进行了实验/理论计算论证（图3）。第一步为重氮化合物分解形成铱卡宾中间体Ir-QC，该活泼中间体被核磁和高分辨质谱表征；azine副产物的生成也侧面说明了活性金属卡宾中间体的存在；DFT计算支持该配合物为闭壳层（closed-shell）物种。第二步为氢转移，该步骤的KIE约为3.2；通过改变各反应物的位阻得出，氢转移应发生在醌型卡宾的羰基氧原子上。该步骤生成两个中间体：其一，碳氢键底物被拔走氢原子生成烷基自由基，该自由基的存在可被TEMPO捕获，而自由基机理也可以解释图2虚线中的重排产物；其二，Ir-QC得到氢原子生成Ir-QC-H•中间体，该中间体被EPR表征（图4b），由于其g值相对于其他Ir(IV)配合物较为接近2.0，故认为其卡宾配体上具有显著的自由基特征（图4c的A结构）；而这一特征也与DFT计算相吻合（图4a）。在文献中，具有氢转移活性的金属卡宾中间体仅限于开壳层（open-shell）物种，而之所以闭壳层的Ir-QC能够进行氢转移反应正是因为其独特的醌型结构：其离域的分子轨道使得羰基氧原子也处在LUMO中，因而可以发生类似于苯醌类化合物的氢转移反应。催化循环中的第三步，也是本文的关键，为自由基重组（radical rebound）。在之前Ru^II-QC的工作中，发生氢转移后并没有进行自由基重组，这是由于Ru^II较为富电子，生成的卡宾自由基很快被其还原，从而得到稳定的Ru^III-aryl而无法进行自由基重组。而相比于Ru^II，Ir^III更加缺电，还原性更差，在进行氢转移后未成对电子主要集中在卡宾配体上（图4c的A结构）而非金属上（图4c的B结构），因而更倾向于发生自由基重组。在催化剂筛选和底物扩展中，作者发现该反应体系对位阻十分敏感，而这也很有可能与较慢的自由基重组有关。

图4. Ir-QC-H•中间体的表征

本文的通讯作者为香港大学支志明教授，第一作者为王海旭博士。

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Iridium(III)‐Catalyzed Intermolecular C(sp³)−H Insertion Reaction of Quinoid Carbene: A Radical Mechanism

Hai‐Xu Wang, Yann Richard, Qingyun Wan, Cong‐Ying Zhou, Chi‐Ming Che

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201911138

导师介绍

支志明

https://www.x-mol.com/university/faculty/69057