CCS Chemistry | 新型自由基催化环化异构化反应

摘要：中国科学技术大学汪义丰课题组和北京大学余志祥课题组合作，利用氮杂卡宾-硼自由基的独特反应性能，实现了一类新型的自由基催化环化异构化反应，为喹啉酮类化合物的合成提供了全新的策略。通过机理研究，证实了该转化历经了一个罕见的碳-碳三键重组的过程。

自由基催化是有机催化领域的重要组成部分。由于自由基物种具有独特的反应活性，利用自由基作为催化剂有可能实现其他方法难以实现的转化。然而，自由基催化领域在过去几十年内的发展却十分有限，其主要原因在于，大多数自由基反应活性较高，很难构建高效的催化循环。迄今，自由基催化较为成功的实例是硫自由基或锡自由基催化的乙烯基环丙烷和烯烃的成环反应（J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 3300. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 5135.）。2014年，京都大学Maruoka教授利用手性硫醇做为催化剂前体，实现了不对称的自由基催化反应（Nat. Chem. 2014, 6, 702.）。最近，华中师范大学肖文精和陈加荣课题组报道了一例新型的氮自由基催化的烯烃双官能团化反应（Chem. Eur. J. 2019, 25, 8024.）。

汪义丰课题组近年来一直从事有机硼自由基化学方面的研究。在探索N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺的自由基硼化反应过程中，他们没有发现目标硼化产物，却意外分离得到了重排产物喹啉酮类化合物。进一步和余志祥教授合作，通过控制实验证明，该反应是由氮杂卡宾-硼自由基催化进行的。值得指出的是，在该反应过程中，发生了罕见的骨架重排，其中包含多个化学键的断裂和重组。

通过条件筛选，作者确立了以氮杂卡宾-硼烷为硼自由基前体，1,1'-偶氮(氰基环己烷)（ACCN）为自由基引发剂的最优条件。随后，作者对反应的适用范围进行了研究。N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺中两个芳环上可以引入多种取代基，将N上面的烷基调整为烯丙基、炔丙基时，反应产率有所下降，N-H酰胺1w以及酯类底物1x在该反应条件下不能生产目标产物。

为了弄清骨架重排的具体历程，作者开展了¹³C标记实验。结果显示碳‒碳三键在反应过程中发生了重组。基于该实验结果，作者提出了合理的反应路径：氮杂卡宾‒硼自由基加成到端炔的碳原子上产生烯基自由基中间体I，I与苯甲酰基部分发生环化以及碳‒碳键断裂来实现第一次芳基迁移，生成的酰基自由基Ⅲ与烯基部分反应分子内5-exo-trig环化得到α-硼烷基自由基中间体Ⅳ。中间体Ⅳ进一步发生第二次芳基迁移得到稳定的自由基中间体Ⅵ，在这一步中，底物中炔基的两个碳原子改变了排列顺序，重组生成了新的化学键。最终，中间体Ⅵ通过β-断裂生成产物并释放出氮杂卡宾‒硼自由基来完成催化循环。作者通过密度泛函理论计算验证了上述反应机理的合理性，并揭示了反应的热力学特征。

这是一例利用氮杂卡宾‒硼自由基作为催化剂的新型N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺的环化异构化反应。该反应拓展了硼自由基的反应性能，验证了硼自由基在自由基催化领域的应用潜力，同时丰富了自由基催化反应类型。此项研究得到了国家自然科学基金、南开大学元素有机化学国家重点实验室开放基金以及中国科学技术大学的资助。该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry 2019年第五期。

文章详情：

NHC-Boryl Radical Catalysis for Cycloisomerization With C–C Triple Bond Reorganization

Ai-Qing Xu , Feng-Lian Zhang , Tian Ye , Zhi-Xiang Yu & Yi-Feng Wang

DOI: 10.31635/ccschem.019.20190025

Cite this: CCS Chem. 2019, 1, 504–512

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.019.20190025

关注CCS Chemistry 微信公众号，了解更多文章信息：