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不飽和鍵的雙官能團化是一種能夠通過一步反應將兩種不同官能團引入到同一前體的合成策略，具有步驟經(jīng)濟性的特點，在有機合成領域中扮演著舉足輕重的角色。三氟甲基具有高穩(wěn)定性、強電負性和良好的脂溶性，三氟甲基的引入往往使化合物的生物活性發(fā)生顯著改變，因此在藥物和農(nóng)藥的開發(fā)中，涉及三氟甲基化的反應具有很高的研究價值。其中，氰基三氟甲基化反應能夠?qū)煞N有價值的官能團（CN和CF₃）同時合并到一個化合物中。目前該反應主要集中在不飽和C=C和C≡C鍵的雙官能團化上，得到將CN和CF₃分別連接在相鄰的兩個碳上的產(chǎn)物。然而，對于在同一個碳上同時引入CN和CF₃兩種官能團的反應尚未報道。

近日，華東理工大學劉培念教授課題組報道了一個多組分的異氰類化合物的氰基三氟甲基化反應；該反應能通過一鍋法將CN和CF₃兩種官能團同時連接到同一個碳上，得到三氟甲基取代的腈類化合物。另外，對產(chǎn)物進一步轉(zhuǎn)化，可以步驟經(jīng)濟性地合成得到三氟甲基取代的胺及亞胺類化合物（圖1）。

圖1. 異氰的氰基三氟甲基化反應及衍生

（來源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

異氰類化合物是現(xiàn)代有機合成中一類重要的C1合成子，其獨特的電子特性使得它們不僅可以與親電試劑、親核試劑以及自由基反應，而且可以在過渡金屬催化的反應中插入金屬-碳鍵和金屬-雜原子鍵中。近年來，異氰類化物與氟試劑的反應雖然報道了很多，但是這些反應的反應模式大同小異：均是經(jīng)過原位生成的氟自由基與異氰基碳加成，然后進行分子內(nèi)環(huán)化。劉培念課題組由聯(lián)苯基異氰出發(fā)，利用Togni’s試劑作為三氟甲基化試劑，TMS-CN作為氰基化試劑，在銅催化下實現(xiàn)了異氰類化合物的氰基三氟甲基化反應。該項成果通過多組分的合并策略實現(xiàn)了異氰類化合物的同一個碳上的氰基三氟甲基化反應，首次實現(xiàn)了同一個碳上的雙官能化反應，具有重要的理論和應用價值。

作者以聯(lián)苯-4-異氰為模板反應底物進行反應條件的篩選。在銅催化下，Togni’s試劑釋放三氟甲基自由基與聯(lián)苯-4-異氰發(fā)生加成反應，然后與TMS-CN反應，一鍋實現(xiàn)了異氰類化合物的氰基三氟甲基化。接著，作者在篩選所得最優(yōu)條件下進行異氰底物拓展，結(jié)果顯示：苯環(huán)上的取代基，包括給電子及吸電子基團、單取代及多取代的基團均可以較好的收率獲得目標產(chǎn)物。同時該反應也適用于萘基異氰及雜環(huán)類異氰，包括二苯并呋喃、咔唑和吲哚等（圖2）。

圖2. 底物普適性研究

（來源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

為了更深入地研究反應的合成應用價值，作者對產(chǎn)物進行了各種轉(zhuǎn)化。作者巧妙地用BH₃為還原劑，實現(xiàn)了三氟甲基取代的1,2-乙二胺類化合物（4）高效合成。利用氰基作為離去基團，通過控制加入鋰試劑的量，實現(xiàn)了催化產(chǎn)物向各種取代的胺（5和6）和亞胺（7-10）的可控轉(zhuǎn)化。另外，利用氰基作為離去基團的策略也能將產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為亞胺醚（11）和苯甲脒（12）。除此之外，作者對抗抑郁藥阿莫沙平和非鎮(zhèn)靜抗組胺藥地氯雷他定進行修飾，成功將CF₃引入到相應藥物中（13和14）。

圖3. 催化產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化

（來源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

為了深入了解氰基三氟甲基化反應的機理，作者使用化學計量的2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基（TEMPO）作為自由基捕獲劑，結(jié)果表明氰基三氟甲基化反應被完全抑制，并且獲得了TEMPO-CF₃加合物，表明氰基三氟甲基化反應可能涉及自由基過程。此外，電子順磁共振（EPR）譜的研究表明在氰基三氟甲基化過程中有 [Cu^II] 中間體產(chǎn)生。綜上，作者提出該反應的可能機理：首先，三氟甲基試劑2a和TMS-CN被 [Cu^I] 活化產(chǎn)生三氟甲基自由基、氰基負離子、二價銅絡合物以及三甲基甲硅烷基2-碘苯甲酸酯（通過GC-MS檢測到），然后三氟甲基自由基與異氰的N=C:鍵加成得到亞胺自由基中間體A；中間體A被與[Cu^II] 和氰基負離子捕獲形成中間體B，最后中間體B發(fā)生還原消除反應生成最終產(chǎn)物3，并實現(xiàn)了催化量的一價銅絡合物的循環(huán)（圖4）。

圖4. EPR實驗和可能的反應機理

（來源：Org. Lett. 2018, 20, 5418）

該發(fā)現(xiàn)首次實現(xiàn)了同一個碳上的雙官能化反應，可以進行多種重要的化合物的高效合成，并且實現(xiàn)了抗抑郁藥阿莫沙平和非鎮(zhèn)靜抗組胺藥地氯雷他定的CF₃官能化，具有重要的理論和應用價值。

劉培念課題組簡介：

劉培念，博士，教授，博士生導師，上海市“東方學者”特聘教授。研究工作圍繞功能有機分子的反應與性質(zhì)，以超高真空掃描隧道顯微鏡為手段在單分子水平對功能有機分子的表面合成反應和新型低維納米材料構(gòu)建進行了一系列具有原創(chuàng)性的研究。另外，通過過渡金屬催化，創(chuàng)新性地發(fā)展出一系列在溶液中進行的新型有機合成反應，構(gòu)建了各種具有復雜結(jié)構(gòu)的功能有機化合物。已經(jīng)以通訊作者或第一作者發(fā)表SCI論文75篇，其中近5年以通訊作者在Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano.、ACS Catal.等期刊發(fā)表SCI 論文52 篇（IF>4: 44篇，IF>10: 9篇）。所發(fā)表論文共計SCI他引1400余次，單篇SCI 他引最高為150余次。入選了國家基金委“界面光電分析化學基礎研究”創(chuàng)新研究群體（2015年），教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（2013年）和上海市“浦江人才”計劃（2009年）。近年來主持了國家自然科學基金項目5項和省部級項目9項，參與國家自然科學基金重大項目1項和創(chuàng)新研究群體項目1項。

課題組鏈接：http://pnliu.ecust.edu.cn/main.htm