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上海有機所在PdH催化的不對稱遷移烯丙基取代研究中獲進展

2021-09-28 上海有機化學研究所
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  中國科學院上海有機化學研究所天然產物有機合成化學重點實驗室研究員何智濤課題組在Nature Communications上,在線發表了題為Palladium-Catalyzed Regio- and Enantioselective Migratory Allylic C(sp3)-H Functionalization的研究論文。該工作利用鏈行走的策略為惰性烯丙位C-H鍵的不對稱官能團化提供了新思路,揭示出親核試劑的pKa值對遷移和取代歷程的影響,并通過機理研究闡釋和驗證了反應的基本歷程。
  相較于傳統帶有離去基的烯丙基取代反應,不對稱烯丙基C-H鍵的直接官能團化更為直接和步驟經濟。目前,該領域的研究仍面臨諸多問題。大部分相關催化工作要求烯丙位C-H被相鄰的雜原子或sp2碳單元進一步活化,對非活化的烯丙位C-H鍵的不對稱官能團化的研究相對局限。過渡金屬催化的鏈行走策略已被證實可以有效活化遠程的惰性C-H鍵?;诖?,科研人員設想利用過渡金屬參與的鏈行走策略來定位烯丙位的C-H金屬化,由此產生的穩定烯丙基金屬中間體再被分子間的親核試劑捕獲,從而實現非活化的烯丙位C-H鍵的高效不對稱官能團化(圖1)。
  該反應對于不同的鏈長度和取代基均有較為突出的結果,兼容復雜遷移體系的同時也能實現了手性控制(圖2)。此外,親核試劑的pKa值與反應的活性密切相關。只有當親核試劑的pKa值處于13-18間時才有相對較高的反應活性。pKa值高的親核試劑往往無法促進開始的烯烴遷移的發生,而pKa值低的親核試劑雖能有效實現金屬遷移,但卻具有相對較弱的親核取代能力。
  進一步探究反應機理(圖3)并結合傳統的遷移反應和烯丙基取代過程,研究推測,反應可能首先由二價鈀在親核試劑作用下還原形成零價鈀啟動,隨后在堿的作用下被質子氧化形成二價PdH物種,與末端烯烴配位繼而發生快速鏈行走過程得到烯丙基鈀中間體,再接受親核試劑的進攻,從而得到烯丙位C-H官能團化的產物,同時再生零價鈀完成催化循環歷程。研究發現,反應初期存在誘導期,為初始零價鈀形成過程。該串聯過程對于催化劑和親核試劑均呈現出一級反應,而對二烯底物的動力學符合Micheaelis-Menten模型,即飽和動力學關系,由此推斷反應決速步為親核取代過程。 
  研究工作得到國家自然科學基金委員會、上海市科學技術委員會、中科院等的資助。
圖1.Pd-H催化的遷移烯丙基官能團化策略
 
圖2.遷移烯丙基取代部分底物范圍
圖3.反應機理推測
打印 責任編輯:閻芳

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