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    劉強課題組:堿/鈷串聯催化端炔遷移氫化反應研究

    有機合成反應通常發生在底物分子中活性最高的反應位點。因此,實現底物分子中非反應活性位點的官能團化反應是非常具有挑戰性的。烯烴的遷移官能團化反應通過結合烯烴異構化反應以及后續烯烴官能團化反應可以高效實現初始反應位點遠端官能團化(圖1a)。鑒于其在合成方面的重要意義,目前這類反應轉化已經得到了廣泛的研究和合成應用。與之相比,炔烴的遷移官能團化反應鮮有報道,通過這類反應轉化可以實現端炔至內烯烴產物的高效合成(圖1b)。清華大學劉強課題組設想利用這類策略實現端炔的遷移氫化反應,從而高效、高選擇性地構建多種內烯烴產物。

     

     

    圖1.烯烴vs炔烴遷移官能團化反應

    烯烴合成的一個關鍵問題是實現其立體選擇性控制。其中,實現2-烯烴制備的Z式選擇性控制仍然是有機合成領域的一個難點。目前所發展的合成(Z)-2-烯烴常用的方法有:wittig 反應,端烯異構化反應,但是這兩類反應的Z/E選擇性并不高。此外,通過交叉偶聯反應制備(Z)-2-烯烴需要在底物分子中預先引入(Z)-烯烴結構單元。2-炔烴的半氫化反應是合成(Z)-2-烯烴一類有效的方法,然而2-炔烴的制備通常需要從端炔出發并使用非常敏感的丁基鋰試劑以及劇毒的碘甲烷,從而造成此類方法反應原子經濟性不高,官能團兼容性具有一定的局限性(圖2)。

    圖2. (Z)-2-烯烴的合成方法

    堿促進的端炔異構化反應是一個經典的反應轉化,但是這一反應并沒有被廣泛應用于現代有機合成研究中。因此,課題開展之初,作者對堿催化的端炔異構化反應進行了簡單的考察。結果表明,僅有叔丁醇鉀(KOtBu)能夠高效實現端炔至2-炔烴的選擇性轉化。作者希望這一堿催化異構化體系能夠與后續炔烴氫化的反應體系相兼容,從而實現串聯端炔異構化/內炔半氫化反應。最近,劉強課題組發展了一類卡賓-鈷催化的酮和酯的氫化反應,其中,叔丁醇鉀可以用作催化劑前體的活化試劑【Chem, 2019, 5, 1552; Chin. J. Chem. 2019, 37, 1125】?;谇捌谶@些研究基礎,作者設想以簡單易得的端炔作為原料,發展串聯堿催化端炔異構化/卡賓-鈷催化內炔半氫化反應,實現(Z)-2-烯烴的高選擇性合成,而堿在其中起到兩個關鍵的作用(圖3)。實現串聯反應的化學選擇性、區域選擇性以及立體選擇性的協同控制是這一策略的難點所在,這就要求我們所發展的鈷催化氫化體系能夠選擇性地氫化炔烴而不具備烯烴過還原以及烯烴異構化反應的活性。

    圖3. (Z)-2-烯烴的合成策略

     

    作者結合堿(叔丁醇鉀)催化的端炔至2-炔烴的異構化反應以及卡賓-鈷催化的內炔半還原反應,成功實現了端炔至(Z)-2-烯烴的遷移氫化反應(圖4a)。此外,對反應條件進行簡單的調整即可以實現炔烴直接氫化反應,高選擇性地合成端烯烴以及(Z)-內烯烴(圖4b)。為了進一步拓展該串聯反應的產物類型,作者設想將端炔異構化生成其它異構體再串聯氫化反應,選擇性構建遠端雙鍵結構。經過條件優化,作者發現升高反應溫度、增加堿的用量,端炔能夠異構化至熱力學更穩定的1,3-二烯中間體,從而實現端炔至共軛(E)-烯烴的選擇性合成(圖4c)。
       劉強課題組所發展的這一串聯催化反應體系能夠很好地控制反應的區域選擇性、化學選擇性以及立體選擇性,為發展其它類型的炔烴遷移官能團化反應提供了新思路。

    4. 鈷催化的端炔至(Z)-2-烯烴、端烯、內烯以及共軛(E)-烯烴的多樣性合成反應

     

    這一成果近期發表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是清華大學博士研究生劉旭芳。

     

    文信息:

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201916014

    Migratory Hydrogenation of Terminal Alkynes by Base/Cobalt Relay Catalysis

    X. Liu, B. Liu, Q. Liu*, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6750.

     

     

     

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