交叉親電偶聯是構建C-C鍵的高效方法之一,并且可作為經典親核-親電偶聯反應的可靠替代途徑。在芳基/烯基與烷基的親電交叉偶聯中,通過抑制β-氫消除可降低副產物的生成。相反,過渡金屬催化的遠程官能化是利用反復的β-氫消除和金屬-H插入,即“鏈行走”過程將官能團引入另外的非活性脂肪族位置。近年來,未活化烷基鹵化物的遠程芳基化和羧化取得了許多發展。然而,已報道的反應仍局限于有限的偶聯配偶體。目前,尚未有文獻報道未活化的烷基鹵化物的烯基化反應,其原因可能在于鏈行走過程中金屬-H對烯烴組分甚至烯烴產物的加成。因此,開發涉及金屬氫化物的遠程烯基化新途徑仍然是一項艱巨的挑戰。
南京工業大學馮超教授課題組首次發展了鎳催化未活化烷基溴化物的的高區域和立體選擇性遷移氟代烯基化反應。反應在非堿性條件下以優異的區域和立體選擇性進行,并且可以容忍一系列潛在反應性官能團。更重要的是,這項工作代表了將烯烴用于Ni-H介導的偶聯反應的第一個實例,并因此擴展了非活性烷基親電試劑遠程功能化領域的界限。
圖1 未活化的烷基鹵化物的遷移官能化(來源:Chem. Sci.)
為了避免混雜的氫金屬化問題,作者選擇了氟化烯烴作為遷移反應的偶聯體。作者設想反應可能通過如下機理進行:二氟烯烴2與熱力學穩定的芐基鎳V配位形成中間體VI,經區域選擇性遷移插入產生碳加成加合物(VII)。隨后,β-氟化物消除導致單氟烯烴3的形成。還原Ni-F(VIII)可再生具有催化活性的Ni0(I)。該反應的挑戰性在于:(1)鎳催化劑必須能夠介導所有基元步驟,包括鏈行走和脫氟偶聯;(2)所得的單氟烯烴產物應對Ni-H以及Ni-烷基物種保持惰性;(3)Ni-H沿碳鏈的遷移應比烯基化步驟快得多,以確保良好的區域選擇性。
圖2 反應設計(來源:Chem. Sci.)
首先,作者以偕二氟烯烴2a和1-溴-2-苯基乙烷1a為模型底物對反應條件進行了篩選。以Ni(ClO4)2·6H2O為催化劑,聯吡啶(L1)為配體,Yb(OTf)3為添加劑,反應可以70%的產率獲得目標產物3a,在反應體系中加入兩當量的Mn粉可進一步提高3a產率至76%。
圖3 條件篩選(來源:Chem. Sci.)
之后,作者對該反應的底物范圍進行了研究。各種芳基-偕二氟烯烴衍生物可與1-芳基-2-溴乙烷反應得到氟烯基化產物(3a-r)。二氟烯烴上含有吸電子基團如氰基,三氟甲基,酯和酮比含有富電子基團的反應有利。氯和氟取代基在本反應中也是相容的(3l和3m)。含氮雜環衍生的底物也可以發生該轉化得到3q和3r,區域選擇性大于100:1。同樣的,烷基溴也具有廣泛的底物范圍。苯環上具有Me,OMe,OTBS,Cl和CF3基團的一系列β-溴乙基苯乙烯可與二氟烯烴2a和2j進行烯基化反應,產物具有優異的區域選擇性和立體選擇性。長鏈烯烴也可以發生反應,并隨著碳鏈增加,產率逐漸降低。
圖4 底物擴展(來源:Chem. Sci.)
為了證明該反應的實際應用價值,作者對反應產物進行了衍生化研究。3a可通過氫化、環氧化、二溴化、氧化反應分別得到產物4a-4c和4e。用堿處理3a消除HF能夠以70%的產率得到聯烯4d。
圖5產物衍生化(來源:Chem. Sci.)
為了了解該反應的機理,作者設計了一系列對照實驗。偕二氯烯烴5a、二溴代烯烴5b和單鹵代烯烴7a-c均不能發生目標轉化,這說明了兩個氟原子在反應中的重要作用。1-溴-1-氟烯烴9也不能和1a反應得到目標產物,這進一步排除了C(sp2)-F鍵氧化加成到芐基-Ni然后還原消除的替代途徑。使用氘標記的烷基溴D2-1a能產生完全氘轉移產物D2-3a。為了評價Ni-H識別非氟化烯烴和偕二氟烯烴的能力,作者將苯乙烯10與1-溴丙烷進行氟烯基化反應,在相同的催化體系下,能以40%的產率得到產物3a,該結果清楚地證明了氟取代基對烯烴部分的顯著影響。
圖6 對照實驗(來源:Chem. Sci.)
結語:南京工業大學馮超教授課題組開發出一種通用的Ni催化的未活化的烷基溴化物與偕二氟烯烴的遷移氟代烯基化方法,提供了制備各種官能化單氟烯烴新途徑。反應在非堿性條件下以優異的區域和立體選擇性進行,并且可以容忍一系列潛在反應性官能團。更重要的是,這項工作擴展了非活性烷基親電試劑遠程功能化領域的界限,這項工作代表了將烯烴用于Ni-H介導的偶聯反應的第一個實例。
撰稿人:悠優
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