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钯催化烯烃的硅烷氧基环丙烷化

过渡金属卡宾凭借其特殊的结构、短寿命、高选择性等特点,已成为一类有用的合成试剂和反应中间体,特别是过渡金属卡宾与烯烃的反应被广泛应用于环丙烷及其衍生物的合成。如图1A所示,参与环丙烷化反应的关键金属-卡宾物种可分为以下三类:带有吸电子基团(I类)、电中性(II类)和烷氧基卡宾(III类)。其中I类和II类金属卡宾是由母体重氮烷烃或其等价物的受控分解瞬时产生,而III类卡宾配合物则是通过将有机锂试剂 (RLi) 亲核加成到金属-羰基 (M-CO) 配合物中,然后用卤代烷 (R'X) 进行捕获制备而成。尽管由此制备的III类金属卡宾能与烯烃进行环丙烷化反应,但是需要化学计量的金属卡宾,从而限制了其应用。

图1. 使用卡宾配合物的金属介导环丙烷化反应。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

相比之下,酰基硅烷经历1,2-硅烷基迁移生成硅烷氧基卡宾(siloxycarbenes),后者若与烯烃进行反应便可实现环丙烷化(图1B)。然而,该过程面临以下两个问题:(1)酰基硅烷异构化为硅烷氧基卡宾需要光照激发或> 250 °C加热;(2)由于硅烷氧基的共振效应,硅烷氧基卡宾本质上是亲核性的,除非被吸电子基团活化,否则不会与烯烃进行反应。日本 大阪大学的 Mamoru Tobisu教授和 立教大学的 Masahiro Yamanaka教授等人设想能否开发出一种合适的金属催化剂,既能促进酰基硅烷的硅迁移,又能促进随后的卡宾转移到烯烃。近日,他们使用 酰基硅烷作为富电子卡宾来源,在钯催化下实现了一系列烯烃的环丙烷化(图1C),并且所得的硅烷氧基环丙烷还可以作为高烯醇化物等价物,从而可以快速制备各种 β -官能团化的酮。相关成果发表在 J. Am. Chem. Soc.上。

图2. 反应条件优化。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

首先,作者选择酰基硅烷( 1a)和降冰片烯( 2h)为模板底物,对反应条件进行了优化,最终发现在 P d2 (dba)3 (5 mol%)为催化剂、1,3-双(2,6-二异丙基苯基)咪唑-2-亚基(IPr,5 mol%)为配体、甲苯为溶剂的条件下于80 °C的密封管中进行反应,能以94%的分离产率得到硅烷氧基环丙烷 3ah(图2)。另外,对照实验表明钯催化剂和IPr配体对该反应至关重要,而光照则是不需要的。

图3. 底物范围。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

在最优条件下,作者对该反应的底物范围进行了考察。如图3所示,一系列不同的末端烯烃均能实现这一转化,例如:1-辛烯( 2a)、烯丙基苯( 2b)、苯乙烯衍生物( 2c-e)、2-乙烯基苯并噻吩( 2f)和极富电子的乙烯基醚( 2g),以中等至良好的产率得到所需的硅氧基环丙烷( 3aa-3ag)。除了冰片烯( 2h)外,非末端烯烃基本上都不反应。有趣的是,降冰片二烯( 2i)进行反应时发生了选择性单环丙烷化,而另一个烯基部分则完整保留,因此可以进一步衍生化。类似地,含有末端烯烃和非末端烯烃的二烯烃(如: 2j和 2k)也能选择性地在末端位置进行环丙烷化,并且能以克级规模进行制备( 3ac)。对于酰基硅烷底物而言,无论带有富电子( 1c)还是缺电子( 1d和 1e)基团都能成功地与 2c或 2h进行环丙烷化。除Si Me3 基团外,带有空间位阻更大的SiMeP h2 和SiMe 2 Ph基团的酰基硅烷(如: 1i和 1j)也可作为有效的卡宾供体,并以优异的收率得到所需产物( 3ic、3ih、3jh)。需要指出的是,这种环丙烷化还可用于天然产物或药物分子的后期官能团化。例如:衍生自香叶醇的烯烃 2l可以选择性地进行硅烷氧基环丙烷化,以71%的产率提供目标产物 3al,同时不会破坏内部烯烃和烯丙基C-O键部分。

图4. 硅氧基环丙烷用作高烯醇化物等价物。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

众所周知,环丙醇衍生物可以用作高烯醇化物等价物,从而可以进一步转化为β-取代的酮。如图4所示,环丙醇衍生物 3ac在Pd-催化剂的存在下直接与芳基三氟甲磺酸酯进行反应,以52%的产率得到β-芳基酮 4a。此外,在 MeOH中用TMSCl处理环丙醇衍生物,能够有效地使硅烷氧基脱保护以形成相应的环丙醇,后者可以进一步衍生为β-三氟甲基( 4b)、烯基( 4c)和2-吡啶基( 4d)取代的酮。

图5. 机理研究。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

为了进一步探究反应机理,作者将酰基硅烷( 1a)置于标准条件下进行反应,以7%的产率获得了酰基硅烷二聚体 5( E / Z = 2.5/1,图5A);而在没有钯催化剂的条件下进行反应时却没有形成二聚体 5,这表明钯催化剂在 5的形成中起着重要作用,同时也表明该反应涉及硅烷氧基卡宾-钯物种。随后,作者将硅氧卡宾-铬络合物 6与烯烃 2h置于标准条件下进行反应,以7%的产率得到硅烷氧基环丙烷化产物 3ah,这进一步证实了硅烷氧基卡宾-钯络合物中间体(图5B)。事实上,这种环丙烷化反应不太可能涉及自由基机制,因为在TEMPO存在下反应仍能有效地进行(图5C)。此外,作者还使用电性不同的苯乙烯 2c、2d和 2e进行反应并监测其产率(图5D),结果显示反应活性为 2e 2c 2d,这表明富电子烯烃在该环丙烷化反应中更受青睐。这一趋势与游离硅氧基卡宾只能与缺电子烯烃反应形成鲜明对比,并表明该反应条件下涉及亲电性金属-卡宾物种。

图6. 密度泛函理论(DFT)计算。图片来源: J. Am. Chem. Soc.

最后,作者还进行了密度泛函理论(DFT)计算。如图6A所示,酰基硅烷中的C(酰基)-Si键与Pd-IPr 配合物经三中心过渡态 TS1进行氧化加成,得到复合物 INT2(图6B),后者经环状过渡态 TS2(图6C)实现甲硅烷基的1,3-迁移,从而形成复合物 INT3(图6D)。需要指出的是, INT3中的Pd、C74、O以及C63原子是共平面的,这意味着 INT3就是反应中涉及的硅烷氧基卡宾-钯络合物。随后, INT3与乙烯经过渡态 TS3(图6E)进行[2+2]环加成,得到钯环丁烷中间体 INT5,后者经还原消除便可提供硅烷氧基环丙烷化产物。

总结

Mamoru Tobisu教授和Masahiro Yamanaka教授等人报道了钯催化烯烃的硅烷氧基环丙烷化反应。该反应适用于多种烯烃,包括1-辛烯、苯乙烯和降冰片烯。此外,所得的硅烷氧基环丙烷还可用作高烯醇化物等价物,从而进一步实现酮的β-官能团化。鉴于金属-卡宾配合物在有机合成化学中的巨大成功,预计硅氧基卡宾-钯配合物将进一步应用于各种催化转化。

Palladium-Catalyzed Siloxycyclopropanation of Alkenes Using Acylsilanes

Shun Sakurai, Tetsuya Inagaki, Takuya Kodama, Masahiro Yamanaka, Mamoru Tobisu

J. Am. Chem. Soc., 2022, 144 , 1099–1105, DOI: 10.1021/jacs.1c11497

导师介绍

Mamoru Tobisu

https://www.x-mol.com/university/faculty/65807


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