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Angew:董广彬课题组报道铂催化下通过形成金属-烯醇化物实现环酮的α,β-去饱和化

on style="line-height: 1.75em; margin-bottom: 5px;">羰基化合物的α,β-去饱和化是有机合成中常见的官能团转化。与常规方法相比,过渡金属催化的去饱和化反应条件温和、无需强氧化剂和高毒试剂或繁琐操作。钯催化的去饱和化反应机理包括速控Pd(II)-烯醇酸酯的形成,然后快速进行β-H消除并通过氧化再生Pd(II)(Scheme 1a)。低价铂与亲电试剂的氧化加成鲜有报道。因此,Pt(0)/Pt(II)催化剂可能具有更广泛的官能团耐受性。前期已有报道通过原位软烯醇化(soft-enolization)方法实现Pt(II)催化的羰基去饱和化,该方法需要强路易斯酸如Bu2BOTf,因而难以耐受酸敏感的官能团。近日,美国芝加哥大学董广彬课题组开发了一种铂催化的环酮的去饱和化方法,用于构建α,β-不饱和烯酮(Scheme 1b),该成果发表于近期Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.202013628)。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

首先,作者以环己酮1a作为模型底物,通过筛选发现(COD)Pt(TFA)2是最佳催化剂。利用BQ(1,4-苯醌)/不溶性BaO作为氧化剂/碱组合,可以得到α,β-不饱和酮2a(86%,Table 1)。随后,作者通过对照试验考察了每种反应物的作用。在不存在(COD)Pt(TFA)2时未观察到任何产物。通过筛选不同氧化剂,发现BQ最有效。虽然碱不是必需的,但反应是通过不溶性无机碱(如BaO)促进的,而有机碱(如Et3N、DIPEA、DBU和KOtBu)会造成铂催化剂中毒。其他铂配合物催化剂的考察结果表明了缺电子三氟乙酸酯和COD配体的重要性。该反应可以在空气中进行,但会形成12%的苯酚副产物(2a'),这表明氧的参与可能导致过度氧化。当催化剂用量降至5 mol%时,收率为58%。反应温度可以降至50 ℃甚至室温,但反应速率随之减慢。溶剂筛选结果显示,芳香族溶剂更好,使用极性稍大的溶剂如1,4-二氧六环和THF未得到预期产物。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


确定最佳反应条件后,作者探索了底物范围(Table 2)。环己酮的α、β和γ位均可以被取代:对于α-取代酮,仅在较少取代的位点发生反应且具有高位点选择性;而β-取代酮表现出较低的选择性,其主要产物是在较小体积的一侧进行去饱和化;α、β和γ位的空间体积并未显著影响反应收率。该反应可以耐受各种官能团,包括酸敏感基团如TBS醚、乙缩醛、缩酮芳基硼酸酯和亲核试剂,以及对碱敏感的基团如OTs、酯、烷基卤和醛;容易与钯反应的官能团如芳基碘/溴化物、烷基碘/溴化物和频哪醇硼酸酯,在该反应中也是相容的。此外,该反应还可以耐受酸性仲磺酰胺以及常见的官能团如三氟甲基、硝基、腈、环丙烷、烯烃和炔烃。然而,在当前条件下,含有硫化物、末端炔烃、游离醇或羧酸的环己酮是具有挑战性的底物。

 

(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

该反应对六元环酮的去饱和化具有高度选择性,线性酮和环戊酮的反应性大大降低,七元环酮的反应性中等。然而,五元环酮1as1at在高温且不存在碱时,可以良好的收率得到预期产物。此外,含N和O的六元杂环酮具有适当的收率。衍生自生物活性天然产物或与之相连的环己酮,如脱氢雄甾酮、胆固醇、α-生育酚、齐墩果酸、4H-山道年、圆柚酮和雄甾酮等,均以良好至优异的收率得到去饱和化产物。对于α-取代的底物,作者观察到较高的位点选择性。去饱和化未发生在酸性更强的C-H键一侧,而发生在体积较小的一侧,表明α-去质子化不是铂催化去饱和化的速控步骤。对β-取代的底物,作者观察到中等选择性。对于烯酮底物,反应速率大大下降。然而,β,γ-不饱和酮(1bo1bp)在烯烃一侧选择性脱氢得到共轭1,3-二烯产物(Scheme 2),与相应的饱和底物(1bj1bp)则截然不同。作者推测,π-烯丙基-Pt中间体的形成是该产物的驱动力。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

为了验证该方法的实用性,作者以3.0 mmol规模进行了1a的放大实验(eq 1),并以78%的分离收率得到环己烯酮2a



(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

作者通过对照实验研究了形成铂-烯醇化物步骤的可逆性(Scheme 3)。在D2O中用10 mol% (COD)Pt(TFA)2处理底物1c 8 h,得到α位99% D的产物(eq 2);相反,不存在铂催化剂时(eq 3),氘代反应未发生。在不存在碱时,铂络合物可以有效催化酮α位进行H/D交换,表明该反应中铂-烯醇化物中间体可以快速且可逆地形成。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

最后,作者通过动力学同位素效应(KIE)试验研究了反应决定步骤(TLS)。竞争性实验表明,在酮α位未观察到一级KIE(Scheme 4);当用β-氘代底物时,竞争和平行反应均显示出较大的KIE值(分别为4.0和4.4),这与Hartwig对Pd(II)烯醇化络合物β-H消除的机理研究相关。此外,作者通过初始速率法确定了底物(1c)、铂催化剂[(COD)Pt(TFA)2]和氧化剂(BQ)的动力学顺序。该反应对催化剂和底物均表现出一阶依赖性,而对氧化剂表现出零阶依赖性,这一结果与酮β-H消除成为TLS一致。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

基于上述研究,作者提出了可能的催化循环(Fig. 1)。首先,Pt(II)催化剂对酮α-C-H键进行快速且可逆的去质子化,所得Pt(II)-烯醇化物经β-H消除得到烯酮和Pt(II)-氢化物;烯酮产物随后通过配体交换从铂中心解离,并且Pt(II)催化剂由Pt(II)-氢化物通过BQ氧化再生。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

目前,过渡金属催化的酮的直接不对称去饱和化尚未报道。当用光学纯的双环[2.2.2]辛烷-2,5-二烯( (R,R)-Ph-bod)作为配体代替COD时,环己烯酮产物2c的ee值可达到30%(eq 4)。这表明使用手性二烯配体进行酮的不对称去饱和化是可行的。

 


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

结语:

董广彬课题组报道了一种铂催化下通过形成直接金属烯醇化物实现环酮的α,β-去饱和化方法,该方法反应条件温和、不需要强碱或强酸、可以耐受多种敏感官能团和取代模式,并可用于复杂活性分子的合成中。其中,(COD)Pt(TFA)2是一种有效的化学选择催化剂,可通过直接形成Pt-烯醇化物来促使环酮进行α,β-去饱和化。






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