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JACS:雙重催化促進(jìn)醇的酰胺化β-斷裂反應(yīng)

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-01-04
導(dǎo)讀:近日,韓國科學(xué)技術(shù)院Sukbok Chang課題組提出了一種新的機(jī)理途徑,利用二噁唑酮作為Ni(II)-類氮賓(nitrenoid)前體,通過將質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(proton-coupled electron transfer,PCET)與鎳催化相結(jié)合來捕獲生成的碳中心自由基,從而通過醇合成了多功能N-烷基酰胺。基于機(jī)理的研究,提出了(κ2-N,O)Ni(II)-類氮賓配合物參與了捕獲光氧化還原PCET誘導(dǎo)的烷基自由基,從而在形成C(sp3)-N鍵方面發(fā)揮關(guān)鍵的作用。文章鏈接DOI:10.1021/jacs.3c11813

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

正文

近年來,化學(xué)家們對(duì)光氧化還原/鎳雙重催化體系進(jìn)行了大量的探索。其中,有兩種主要的策略來生成關(guān)鍵的烷基-Ni(III)-N配合物,以促進(jìn)C(sp3)-N鍵的形成。第一種方法涉及將Ni(I)-烷基配合物氧化加成到胺親電試劑中以形成關(guān)鍵的烷基-Ni(III)-N配合物。該過程利用氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)從簡單烷烴生成烷基自由基(Scheme 1a)。第二種方法是通過單電子轉(zhuǎn)移(SET)從烷基三氟硼酸鹽生成烷基自由基。這些自由基隨后與Ni(II)-胺基(amido)配合物進(jìn)行自由基偶聯(lián),從而形成關(guān)鍵的烷基-Ni(III)-N中間體。到目前為止,盡管在雙重光氧化還原/Ni-催化的C(sp3)-酰胺化領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展,但對(duì)于通過Ni(II)-類氮賓參與自由基加成的策略仍有待進(jìn)一步的探索。前期,化學(xué)家們利用空間位阻大的配體通過鎳-氮賓中間體實(shí)現(xiàn)了C-N鍵的構(gòu)建。Sukbok Chang課題組設(shè)想,是否可以利用1,4,2-二噁唑-5-酮作為Ni(II)-類氮賓的前體來捕獲光氧化還原生成的烷基自由基,從而實(shí)現(xiàn)簡單配體存在下的分子間酰胺化反應(yīng)(Scheme 1b)。近日,韓國科學(xué)技術(shù)院Sukbok Chang課題組利用二噁唑酮作為Ni(II)-類氮賓前體,通過質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(PCET)與鎳雙重催化,首次實(shí)現(xiàn)了脂肪族酰胺的合成(Scheme 1c)。該策略能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)狀或非環(huán)狀醇的C(sp3)-酰胺化,提供了一種合成有價(jià)值的脂肪族酰胺的新途徑。綜合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究表明,作者假設(shè)的(κ2-N,O)Ni(II)-類氮賓配合物能夠有效的捕獲碳中心自由基,這些自由基又經(jīng)歷了內(nèi)球?qū)樱╥nner-sphere)類氮賓轉(zhuǎn)移,形成了區(qū)域?qū)R恍缘腃-N鍵。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

首先,作者以1,1-雙(4-甲氧基苯基)-3-苯基丙-1-醇1a與二噁唑酮衍生物2a作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)反應(yīng)條件的篩選(Table 1)。當(dāng)以PC1(5 mol %)作為光催化劑,NiCl2·glyme(10 mol %)作為金屬催化劑,L1(10 mol %)作為配體,2,4,6-三甲基吡啶(1.2 equiv)作為堿,藍(lán)色LEDs(456 nm)作為光源,在DCE溶劑中室溫反應(yīng)3 h,可以89%的分離收率得到酰胺產(chǎn)物3a

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者對(duì)直鏈二級(jí)與三級(jí)醇底物的范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Scheme 2)。首先,含有β-苯基取代的三級(jí)醇,均可與2a順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3a-3g,收率為44-89%。值得注意的是,該策略代表了三級(jí)直鏈醇進(jìn)行酰胺化的首次催化C-C鍵斷裂的例子。其次,含有烷基取代或二芐基氨基取代的三級(jí)醇底物,也是合適的底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3h-3j,收率為41-71%。此外,一系列二級(jí)醇底物,也能夠順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3k-3n,收率為27-77%。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

緊接著,作者對(duì)三級(jí)環(huán)烷基醇底物的范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Scheme 3)。首先,具有不同環(huán)尺寸的三級(jí)環(huán)烷基醇底物,均可與2a順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物5a-5k,收率為24-96%。其中,反應(yīng)效率不受環(huán)尺寸的影響,如5a-5e。然而,取代環(huán)己醇衍生物的反應(yīng)相當(dāng)緩慢(5f5g)。同時(shí),環(huán)內(nèi)含有氧或氮等雜原子的底物,也與體系兼容,如5h-5k。值得注意的是,對(duì)于在環(huán)中具有雜原子的非對(duì)稱底物(4j4k),觀察到鍵斷裂僅發(fā)生在氧或氮原子的α-位置(5j5k)。這種區(qū)域選擇性歸因于C?C鍵的β-斷裂產(chǎn)生的假定自由基中間體的相對(duì)穩(wěn)定性的差異。其次,含有芳基取代的環(huán)狀烷基醇,也是合適的底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物5l-5p,收率為40-81%。

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隨后,作者對(duì)酰胺源進(jìn)行了研究(Scheme 4)。首先,含有芳基、甲基或環(huán)己基取代的二噁唑酮衍生物,均可與4b順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物5q-5s,收率為42-84%。其次,該策略還可用于一些藥物分子的后期衍生化,如奧沙普秦、石膽酸與Isonipecotic acid,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物5t-5v,收率為34-41%。此外,羰基或磺酰基疊氮化物,也是有效的底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物5w-5y,收率為54-74%。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

此外,作者還對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的研究(Figure 1)。首先,根據(jù)使用不同鎳源的控制實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)的查閱,在鎳催化循環(huán)中可能涉及兩種途徑,即Ni(0)-Ni(I)-Ni(III)-Ni(I)(Path 1)與Ni(0)-Ni(II)-Ni(III)-Ni(I)(Path 2)(Figure a-1)。其次,作者提出了一種可能的光氧化還原PCET循環(huán)過程(Figure 1b-1)。在可見光照射下,底物中的芳基部分被PC的激發(fā)態(tài)氧化,形成瞬態(tài)芳烴自由基陽離子(1a?+)。隨后,通過分子內(nèi)PCET過程,可生成烷氧基自由基中間體(1a?),該中間體通過β-斷裂轉(zhuǎn)化為活性碳中心自由基1a′。Stern-Volmer分析表明,PC的激發(fā)態(tài)被CH2Cl2中的醇4a有效淬滅,與三甲基吡啶的存在無關(guān)。同時(shí),通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究,進(jìn)一步證明了上述過程的合理性(Figure 1b-2)。

基于上述的研究以及相關(guān)計(jì)算研究,作者提出了兩種合理的催化循環(huán)過程(Figure 1c)。首先,在path 1中,1a′與(L1)Ni(0) A經(jīng)自由基加成生成烷基Ni(I)中間體B,這在熱力學(xué)上是有利的。然而,在path 2中,2a與(L1)Ni(0) A結(jié)合并釋放CO2,生成(κ2-N,O)-鍵合的Ni(II)配合物G′。有趣的是,當(dāng)比較Ni(I)中間體B和(κ2-N,O)Ni(II)-氮賓配合物G′之間的相對(duì)能量時(shí),后者的顯著熱力學(xué)穩(wěn)定性可能支持通過path 2形成初始的類氮賓。此外,由于A對(duì)二噁唑酮的脫羧過程在動(dòng)力學(xué)上是可行的,(κ2-N,O)Ni(II)-氮賓配合物G是參與二噁唑啉酮活化步驟的催化活性物種。隨后,按照path 2,計(jì)算出在Ni-類氮賓化合物G′中添加1a′以具有合理的活化能壘(G′-TS),從而得到烷基-Ni(III)-類氮賓化合物H。值得注意的是,盡管設(shè)想類氮賓中間體D(path 1)和H(path 2)之間的相互轉(zhuǎn)化,但據(jù)計(jì)算,中間體H在熱力學(xué)上比中間體D更可行,這可能是由于額外的羰基配位導(dǎo)致。雖然外球?qū)幼杂苫映稍谀芰可弦蟾撸ㄟ^H-TS形成的內(nèi)球?qū)覥-N鍵是合理的。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

總結(jié)

韓國科學(xué)技術(shù)院Sukbok Chang課題組成功地開發(fā)了一種方便的方法,通過協(xié)同的光氧化還原PCET和類氮賓轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)了直鏈和環(huán)狀醇的酰胺化β-斷裂,合成了一系列N-烷基酰胺衍生物。機(jī)理研究表明,通過光氧化還原催化的脫碳生成的烷基自由基可引發(fā)反應(yīng),隨后被Ni(II)-類氮賓捕獲,并最終進(jìn)行內(nèi)球?qū)宇惖e轉(zhuǎn)移。預(yù)計(jì)目前使用二噁唑酮作為類氮賓前體的雙重光氧化還原PCET/Ni-催化策略可作為設(shè)計(jì)在合成和藥物化學(xué)中具有潛在適用性的新反應(yīng)的有力工具。

文獻(xiàn)詳情:

Hyeyun Keum, Harin Ryoo, Dongwook Kim, Sukbok Chang*. Amidative β?Scission of Alcohols Enabled by Dual Catalysis of Photoredox Proton-Coupled Electron Transfer and Inner-Sphere Ni-Nitrenoid Transfer. J. Am. Chem. Soc. 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c11813

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