山东大学王瑶教授团队Angew：硫键弱作用催化环丙烯开环以及芳基酮扩环

卡宾物种的催化转化一直由过渡金属主导，由于金属卡宾的电子特性，当存在竞争性官能团时，如何控制卡宾反应的化学选择性是一个难题。虽然弱相互作用已被用于催化多种反应，但利用弱作用来催化卡宾的生成和转化仍然是一个没有研究的议题。如果弱作用催化剂能够实现经典过渡金属无法催化的卡宾反应，这将推进卡宾化学的发展。

山东大学王瑶教授（点击查看介绍）课题组致力于基于弱相互作用的有机合成化学研究，该团队前期发展了普适性硫键与碳键催化剂，提出并发展了硫属元素相互作用催化（原始文献：JACS, 2019, 141, 9175）以及硫属元素和π体系弱作用催化模式（原始文献：ACIE，2021, 60, 9395），发展了系列新反应，解决了反应性与选择性问题；提出并验证了碳键催化模式（原始文献：ACIE, 2021, 60, 22717），建立了碳键金属催化策略（原始文献：JACS, 2023, 145, 21554），这些研究成果拓展了弱作用的能力范畴和研究边界。近期，王瑶教授课题组把硫键弱作用催化引入了卡宾化学领域，研究发现硫键催化可促使环丙烯开环以及芳基酮扩环（图1），经典金属卡宾以及热力学途径得到了呋喃副产物，这一工作最近发表于Angew. Chem. Int. Ed. 上。

图1. 芳基酮的扩环反应

硫键催化剂与环丙烯之间可以形成Se‧‧‧π作用，进而成功实现了弱作用促进的环丙烯开环，这是此项研究所解决的具有挑战性的问题，作者进一步通过底物设计，使环丙烯开环生成卡宾后被芳基酮捕获，最终得到Buchner类型的扩环产物。环丙烯的开环需要约35 kcal/mol的活化能，通常需要>150 ℃的高温加热条件，或者使用金属催化剂才能发生开环反应，该项研究工作表明硫键与环丙烯之间的Se‧‧‧π弱作用即可促使环丙烯开环。其次，Buchner类型的扩环反应也需要在过渡金属作用下才能发生，这项研究证明弱作用可以催化过渡金属主导的卡宾反应，并且能够调控卡宾反应的化学选择性，进而实现过渡金属以及热力学途径无法完成的反应，展示了弱作用催化的独特性。作者研究发现，该反应具有良好的官能团耐受性和区域选择性，得到了多样化的扩环产物（图2）。

图2. 代表性底物范围

DFT计算表明，在Se‧‧‧π和Se‧‧‧O协同作用下，COM1相对吉布斯自由能为-2.2 kcal/mol，Se‧‧‧π作用的存在使得COM1成为一种更有利的复合物。反应的机理研究表明，PCH催化剂和环丙烯之间的Se‧‧‧π弱作用是环丙烯开环的驱动力。如图3所示，这种Se‧‧‧π相互作用一旦生成，无论是在COM1还是COM2中，就会促进环丙烯发生开环反应得到卡宾物种，PCH催化剂与卡宾中间体的Se‧‧‧O作用稳定了中间体，进而使其和苯环之间发生环丙烷反应，最后发生6π电环化反应得到环戊烯酮并环庚三烯产物。

图3. 反应机理及DFT计算

小结

王瑶教授团队的这项研究首次用弱相互作用来催化卡宾类型的反应，实现了硫键催化下环丙烯开环以及芳基酮扩环反应，解决了金属卡宾途径无法实现的化学选择性问题，拓展了弱相互作用催化的边界。

这项研究工作发表于近期Angew. Chem. Int. Ed. 上，山东大学博士研究生朱浩福为文章第一作者，王瑶教授为通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金的经费支持。

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）：

Chalcogen Bonding Catalysis Enables Ring-Opening of Cyclopropene and Ring Expansion of Aryl Ketones

Haofu Zhu, Xiaomei Yang, Yi Liu, Hang Zhou, Yao Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202423746

导师介绍

王瑶

https://www.x-mol.com/university/faculty/49830