過渡金屬催化環狀碳酸酯參與的反應研究進展

熊宇晟,張遠飛

(南寧師范大學 化學與材料學院,廣西 南寧 530100)

0 引 言

有機環狀碳酸酯是一類重要的合成中間體,它們具有制備方便、穩定、反應活性高以及易于后續多樣性轉化等特點,近年來逐漸成為了有機合成化學研究的重要領域之一[1]。目前研究得比較多的環狀碳酸酯包括:烯基取代的環狀碳酸酯、炔基取代的環狀碳酸酯、2-亞甲基環狀碳酸酯以及碳酸亞乙烯酯(圖1)。它們都能在過渡金屬催化下進行氧化加成、遷移插入、脫羧開環等基元反應過程,形成不同活性中間體,進而形成結構、取代模式都各異的產物,構成其過渡金屬催化化學的豐富內容。研究的重點是這幾類環狀碳酸酯近年來的進展,包括其參與的C-H鍵活化與烯丙基取代反應。

圖1 廣泛使用的環狀碳酸酯

1 金屬催化烯基取代的環狀碳酸酯的轉化

2015年,Wang課題組[2]應用Rh(Ⅲ)/Pd(Ⅱ)雙金屬催化體系,實現了烯基取代的環狀碳酸酯的C-H活化/烯丙基取代成環反應。反應巧妙利用Rh(Ⅲ)催化C-H烯丙基化反應形成烯丙醇結構片段,其通過Pd(Ⅱ)催化分子內N-烯丙基化反應關環(圖2a)。反應在溫和的反應條件下進行,提供了高區域選擇性和立體選擇性的含氮雜環合成的新方法。

圖2 烯基取代的環狀碳酸酯的C-H活化反應

之后,Ackermann課題組[3]將該反應拓展到單金屬鈷催化上(圖2b)。反應使用廉價的鈷作為催化劑替代兩種貴金屬,即昂貴的Pd2(dba)3和[Cp*Rh(CH3CN)3][SbF6]。在反應過程中多功能陽離子鈷(III)配合物既能促進C-H烯丙基化反應又能促進N-H烯丙基化反應。同時,反應具有很好的化學選擇性,能實現間位含取代基底物的選擇性C-H活化。這些研究結果顯示了鈷催化體系對雙金屬催化體系的優勢。同年,該課題組[4]還發現錳(I)催化劑也能有效催化環狀碳酸酯的C-H烯丙基化反應,在H2O和空氣中實現了吲哚C2位的活化(圖2c)。該反應能在非極性或者極性質子性溶劑中進行, TFE或H2O作為溶劑對控制產物雙鍵的立體選擇性有利。幾乎在同一時間,Glorius課題組[5]也報道了一例相似的反應(圖2d)。

2017年,Cheng等首次將機械化學條件應用于高效鈷(III)催化的C-H烯丙基化反應中[6](圖2e)。與傳統的溶劑反應體系相比,球磨反應能顯著提高反應效率。同時,無溶劑球磨方法更環保是未來該領域研究的重要方向之一。

環狀碳酸酯還能在過渡金屬催化下進行烯丙基取代反應。Kleji課題組報道了光/鈷催化醛與烯基取代環狀碳酸酯的立體選擇性烯丙基化反應。反應以二氫吡啶作為還原劑,在光驅動下形成活性鈷催化物種,引發還原性烯丙基鈷對醛的非對映選擇性插入[7](圖3a)。

圖3 烯基取代的環狀碳酸酯的烯丙基取代反應

通過調節鈷催化劑與光敏劑類型,Kleji課題組[8]發現烯基取代環狀碳酸酯也能通過脫氧方式對醛的碳氧雙鍵進行非對映選擇性插入(圖3b)。

其后,Kleji課題組又[9]報道了首例鈀催化環碳酸乙烯酯與亞硫酸鹽的區域和對映選擇性烯丙基磺?；磻?合成了具有不同官能團的含砜季碳立體中心。反應可以耐受含給電子和吸電子的亞磺酸鹽,具有優異的區域和對映選擇性(圖3c)。

在過渡金屬存在下,環狀碳酸酯還能發生Micheal加成/烯丙基環化反應,合成螺環與大環。Zhao課題組[10]報道了路易斯酸輔助,鈀催化碳酸乙烯酯和含苯并呋喃酮的 [5,5]和[6,5]螺環化反應。通過調節路易斯酸實現了碳酸乙烯酯的極性轉換(圖4a)。

圖4 烯基取代的環狀碳酸酯的Micheal加成/烯丙基環化反應

其后,Zhao課題組[11]又報道了Au/Pd雙金屬催化高對映選擇性的九元雜環的合成反應。機理研究發現,Au能促進1a形成不飽和呋喃酮結構,進而在Pd催化下發生對映選擇性關環(圖4b)。

2 金屬催化炔基取代的環狀碳酸酯的轉化

炔基取代的環狀碳酸酯也能通過氧化加成、脫羧進行取代反應。2019年,Kleji課題組報道了銅催化亞磺酸鹽和丙炔環碳酸酯的不對稱丙炔基取代反應[12]。該反應是過渡金屬催化硫作為親核試劑的對映選擇性丙炔取代反應的第一個成功例子,在高對映控制下合成出目標叔砜產物(圖5a)。

圖5 金屬催化炔基取代的環狀碳酸酯的反應

Guo等[13]報道了銅催化胺做為親核試劑的不對稱丙炔基取代反應,實現了高效、對映選擇性α-氨基酮的合成。反應通過合理設計環狀碳酸酯的結構,在Cu催化下脫羧產生Cu鍵兩性離子烯酸酯中間體。α碳和β碳的sp2性質使其形成具有平面取代基的前手性中心,從而減少了形成四元立體中心的空間效應。陰離子烯酸酯組分可以與胺分子形成強氫鍵,實現對映面的識別(圖5b)。

Kleij[14]報道了一種制備四取代甲烷硅基化丙二烯的新方法(圖5c)。該反應利用了α-羥基酮和末端炔的反應性,在Cu(I)催化下形成π配合物,使活性硅基試劑對炔基碳酸酯進行脫羧、親核取代,從而得到目標產物。

兩年后,Kleij[15]再次報道了Ni催化炔基環狀碳酸酯的硅烷基化反應(圖5d)。該反應重要的一步涉及到β-O消除,引發炔丙基取代過程。

3 金屬催化碳酸亞乙烯酯的轉化

碳酸亞乙烯酯在鋰電池與高分子化學物合成應用廣泛,其過渡金屬催化化學近年來也有一定程度的發展。Hiyashi課題組[16]報道了二膦/銥配合物和硼酸(B2(OH)4)催化,芳基硼酸 (ArB(OH)2)與碳酸亞乙烯酯的芳基化反應,生成芳基乙醛(圖6a)。反應條件的溫和性,為芳基乙醛的合成提供了一條新的途徑。

圖6 碳酸亞乙烯酯C-H活化反應

2021年,Wang等[17]報道了銠催化的吲哚和吲哚衍生物與碳酸亞乙烯酯的C-H烷基化反應。根據底物和反應條件的不同,吲哚在甲醇中進行三組分反應生成C2羧甲基化產物,而吲哚與碳酸乙烯在甲苯中反應生成C7甲酰甲基化產物(圖6b)。

Kato課題組[18]報道了Rh催化定向基輔助的C-H甲酰甲基化(圖6c)。反應以碳酸亞乙烯酯作為乙炔醇等價物,不需要外部氧化劑和堿。該催化系統能進行順序脫氫酯化過程,通過H2氣體的釋放使具有催化活性的Rh(III)物質再生。反應體系也適用于2-嘧啶導向基團的吲哚啉衍生物的C7選擇性官能化反應(圖6d)。

Yu等[19]報道了廉價釕催化的碳酸亞乙烯酯與苯甲酰胺,通過C-H/N-H鍵官能化制備吲哚衍生物的反應。在溫和的反應條件下,成功地實現了各種取代的芳香族苯胺的轉化,以良好的產率得到了相應的吲哚產物(圖7a)。反應的特點:(1)可以直接得到非取代的亞乙烯基稠環化合物,而不需要任何預官能化;(2)催化轉換不需要外部氧化劑和堿。通過C-H/N-H環反應也可以合成一系列其他類型的N-雜芳烴(圖7b)。

圖7 碳酸亞乙烯酯環化反應(Ⅰ)

2021年,Li課題組[20]報道了一種通過錳催化碳酸亞乙烯酯作為乙炔替代物的脒的環化反應。該反應顯示出良好的官能團耐受性和高原子效率,制備了各種取代的氨基異喹啉衍生物(圖7c)。同年,Wang等[21]也開發了一種銠催化的脒和碳酸亞乙烯酯之間的環化反應,以中等至良好的產率制備4-甲基喹唑啉。在該過程中,碳酸亞乙烯酯用作?；噭?而不是乙炔替代物。因此,提供了一種簡單而溫和的途徑,合成復雜多樣的4-甲基喹唑啉(圖7d)。

2022年,Zhang[22]報道一種有效的Rh(III)催化碳酸亞乙烯酯與偶氮苯的環化反應,合成傳統合成方法無法實現的2H-吲唑-3-甲醛(圖7e)。其中,碳酸酯的兩個碳原子分別參與了吲唑環和醛基的構建。Liu課題組[23]報道了一種通過Rh(III)催化的C-H鍵活化和烯胺酮與碳酸亞乙烯酯的乙烯基轉移制備取代的1-羥基-2-萘醛的方法。通過大規模的制備實驗和幾個羥基導向衍生化反應,探索了該方案在構建1-羥基-2-萘和其他雜環分子中的潛力(圖7f)。

Kim[24]報道了通過選擇性Rh(III)催化N-芳基吲唑酮或N-芳基酞嗪酮與碳酸亞乙烯酯的C-H環化反應合成吲唑啉(圖8a)和酞嗪啉(圖8b)。從機理的角度來看,碳酸亞乙烯酯作為乙醛的替代物,能夠進行[4+2]環化反應。觀察到優異的化學選擇性、區域選擇性和廣泛的官能團耐受性。Ma[25]報道了銠催化/游離氨基引導的吡咯/吲哚苯胺與碳酸乙烯酯的[5+1]環化反應,有效地合成了一系列有價值的4-甲基吡咯并[1,2-α]喹喔啉。與其他現有的轉化不同,在該反應中,碳酸亞乙烯酯作為C1環單元來完成C-H轉化(圖8c)。

Hara等[26]開發了一種通過陽離子銠(I)/BINAP絡合物催化1,6-和1,7-二炔與碳酸亞乙烯酯的脫羧[2+2+2]環加成制備取代苯酚的新路線(圖9a)。

圖9 碳酸亞乙烯酯環化反應(Ⅲ)

Muria課題組[27]報道了一種以碳酸亞乙烯酯為亞乙烯轉移試劑的Rh催化的直接π-延伸法。該方法的顯著特征是:非取代的亞乙烯稠合骨架可以通過C-H/C-H氧化環化一步構建,并且任何外部氧化劑和堿對于催化轉化都不是必需的。合成的多芳香族化合物具有較強的發光性能,并且在固態中表現出良好的有序堆積結構(圖9b)。Muria等[28]又報道了Cp*Rh催化,碳酸亞乙烯酯作為氧化乙炔替代物,苯甲酸直接合成3,4-未取代的異香豆素的反應。該反應既不需要氧化劑,也不需要堿,因為反應物可以同時滿足這兩種功能,產生碳酸作為唯一的副產物。該反應具有廣泛的官能團相容性,并用于合成新的吲哚類生物堿分子(圖9c)。

4 金屬催化2-亞甲基環狀碳酸酯的轉化

作為一類結構特殊的碳酸酯,2-亞甲基環狀碳酸酯具有獨特的反應活性。2021年,Shu首次報道了吲唑酮導向的Rh(III)催化的C-H/N-H環化和C-H烯丙基化反應[29]。該反應主要通過使用5-亞甲基-1,3-二惡烷-2-酮作為可擴展的交叉偶聯伙伴來進行,以令人滿意的產率合成了相應的[4+3],[4+2]環化化合物與含烯丙醇的支鏈產物(圖10a)。同年,Zhang課題組[30]已經開發了一種通過Rh(III)催化的C-H烯丙基化/環狀馬氏加成反應簡潔合成含有甲基的C3季中心的異喹啉酮的方法。該反應耐受廣泛的官能團和取代模式,適用于類固醇和阿達帕林衍生的N-甲氧基酰胺的后期多樣化衍生(圖10b)。

圖10 2-亞甲基環狀碳酸酯環化反應

Kim課題組報道了在陽離子Ru(II)催化下,偶氮甲亞胺與5-亞甲基-1,3-二惡烷-2-酮的反應,實現了橋四環的合成[31]。從機理上看,C-H烯丙基化反應生成的β取代烯丙基片段與偶氮甲基發生外型[3 + 2]環加成,從而在橋頭碳中心形成帶有羥基亞甲基的橋四環(圖10c)。

5 結 語

環狀碳酸酯作為一種多功能偶聯試劑,已被廣泛應用于過渡金屬催化的C-H鍵活化與烯丙基取代反應中,環狀碳酸酯開環形成的含官能團的烯丙基結構片段又能在過渡金屬作用下關環,使其為一系列結構新穎、復雜的有機分子與雜環化合物提供了高效合成方法。目前報道的過渡金屬催化的C-H鍵活化與烯丙基取代反應主要使用銠、銥、釕等催化劑,廉價的第一過渡系的金屬催化體系報道很少。

該領域有幾個發展方向未來值得深入研究:1)新型的官能團化環狀碳酸酯的合成及其合成轉化;2)應用光催化或電催化等新興技術手段,開發廉價金屬催化體系;3)通過C(sp3)-H鍵活化的官能團化環狀碳酸酯的轉化反應。