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過渡金屬催化的C(sp³)-C(sp³)偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)筑C-C鍵的重要手段，但是該方法在構(gòu)筑含有全碳季碳中心的C-C鍵方面存在很大挑戰(zhàn)。近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱守非課題組報(bào)道了一種新穎的鐵催化C(sp³)-C(sp³)偶聯(lián)反應(yīng)，成功構(gòu)筑了含有全碳季碳中心的C-C鍵，特別是對(duì)于含有較大空間位阻的三級(jí)C(sp³)與二級(jí)C(sp³)的偶聯(lián)，依然能夠高選擇性地得到偶聯(lián)產(chǎn)物。初步的機(jī)理研究表明，零價(jià)鐵啟動(dòng)了該反應(yīng)，底物中的酰胺基團(tuán)起到了關(guān)鍵的導(dǎo)向基作用。本文發(fā)展的方法拓展了鐵催化劑的應(yīng)用范圍，為過渡金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)，特別是為含有大位阻底物之間的偶聯(lián)反應(yīng)提供了參考。相關(guān)成果近期發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.2024, DOI:10.1021/jacs.3c14032，博士后張喬是文章的第一作者。

圖1 鐵催化C(sp³)-C(sp³)偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)筑季碳中心

高效構(gòu)筑C-C鍵是有機(jī)合成化學(xué)的核心任務(wù)，新型C-C鍵的構(gòu)筑方法一直廣受關(guān)注。過渡金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建C-C鍵最有效的手段之一，以Suzuki交叉偶聯(lián)、Negishi交叉偶聯(lián)為代表的親核試劑和親電試劑的偶聯(lián)反應(yīng)具有原料易得、操作簡(jiǎn)單、底物適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)藥和材料等眾多功能分子合成中廣泛應(yīng)用。然而，迄今通過C-C偶聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建季碳中心依然充滿挑戰(zhàn)。這主要是由于三級(jí)C(sp³)位阻大，偶聯(lián)困難，且存在消除、異構(gòu)化等大量競(jìng)爭(zhēng)副反應(yīng)。迄今只有少量三級(jí)C(sp³)與C(sp²)以及一級(jí)C(sp³)的偶聯(lián)反應(yīng)報(bào)道，而三級(jí)C(sp³)與二級(jí)/三級(jí)C(sp³)的偶聯(lián)反應(yīng)依然存在巨大挑戰(zhàn)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，收獲更多商業(yè)合作機(jī)會(huì)。

近年來，南開大學(xué)朱守非課題組一直致力于鐵系金屬催化的有機(jī)合成反應(yīng)的研究，發(fā)展了一系列鐵催化不飽和烴的氫/碳元素化反應(yīng)（Nat. Sci. Rev.2024, doi: 10.1093/nsr/nwad324; Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202315473; Chin. J. Chem. 2023, 41, 3547; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 515; ACS Catal.2022, 12, 2581; Chem. Sci. 2022, 13, 2721; Chem. Sci. 2022, 13, 7873; J. Am. Chem. Soc.2020, 142, 16894; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4579; Nat. Commun.2018, 9, 221），發(fā)展了一類環(huán)丙烷骨架雙膦配體絡(luò)合的鈷配合物催化的炔烴的選擇性硼氫化反應(yīng)（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202208473）。在此基礎(chǔ)上，該課題組最近使用環(huán)丙烷雙膦配體和鐵的配合物催化劑，實(shí)現(xiàn)了了一種新穎的C(sp³)-C(sp³)偶聯(lián)反應(yīng)，成功構(gòu)筑了含有全碳季碳中心的C-C鍵，特別是對(duì)于含有較大空間位阻的三級(jí)C(sp³)與二級(jí)C(sp³)的偶聯(lián)，反應(yīng)依然能夠順利進(jìn)行（圖1）。本文發(fā)展的鐵催化C(sp³)-C(sp³)偶聯(lián)反應(yīng)具有條件溫和，原料簡(jiǎn)單易得，官能團(tuán)兼容性好等特點(diǎn)。初步的反應(yīng)機(jī)理研究表明，零價(jià)鐵作為活性催化劑啟動(dòng)了催化循環(huán)，底物中的酰胺基團(tuán)起到了關(guān)鍵的導(dǎo)向基作用。該研究拓展了鐵催化劑的應(yīng)用范圍，為過渡金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)，特別是為含有大位阻底物之間的偶聯(lián)反應(yīng)提供了參考。

首先，作者選擇三級(jí)溴代酰胺底物1a和環(huán)戊基鋅試劑2a為起始原料對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了考察（表1）。對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，鐵催化劑起到了主要作用，配體和添加劑促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，金屬試劑以鋅試劑的形式參與反應(yīng)。不同的金屬催化劑對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，鐵催化劑具有明顯的優(yōu)越性，是該反應(yīng)能夠發(fā)生的關(guān)鍵。    

表1 金屬催化劑、配體和添加劑對(duì)偶聯(lián)反應(yīng)的影響

在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者首先考察了含有偕二甲基的三級(jí)溴代酰胺底物與環(huán)戊基鋅試劑的反應(yīng)情況（圖2）。對(duì)于芐基酰胺類型的底物，芳環(huán)上取代基的電性和位置對(duì)反應(yīng)均沒有影響，都可以順利發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)得到碳碳偶聯(lián)產(chǎn)物。同時(shí)該反應(yīng)還可兼容氰基，磺酰基，醚，酯，烯基，鹵素等多種官能團(tuán)。將溴代酰胺的偕二甲基換為環(huán)烷基、甲基芳基或甲基乙基時(shí)，反應(yīng)也能順利進(jìn)行。將環(huán)戊基鋅試劑替換為環(huán)己基、異丙基、環(huán)丙基、雜環(huán)烷基以及仲丁基鋅試劑時(shí)都可順利發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。然而，含有酮羰基、強(qiáng)配位雜環(huán)和磺酰基的底物不能順利發(fā)生反應(yīng)。    

圖2 鐵催化三級(jí)鹵代底物與二級(jí)鋅試劑的偶聯(lián)反應(yīng)    

作者還對(duì)其它類型的鋅試劑的反應(yīng)情況進(jìn)行了探究（圖3）。甲基，乙基鋅試劑具有相對(duì)較高的反應(yīng)活性，芐基，烯基，烯丙基，芳基等鋅試劑也能順利發(fā)生反應(yīng)得到偶聯(lián)產(chǎn)物，而叔丁基鋅試劑不能發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，這可能是空間位阻過大所致。二級(jí)/一級(jí)鹵代底物與不同類型的鋅試劑的反應(yīng)均可以中等左右的收率得到偶聯(lián)產(chǎn)物，展現(xiàn)了該反應(yīng)具有較好的底物適用范圍。

圖3 鐵催化其他鹵代底物與不同類型鋅試劑的偶聯(lián)反應(yīng)

克級(jí)規(guī)模實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)展示了該反應(yīng)的合成應(yīng)用前景（圖4）。

圖4 克級(jí)規(guī)模和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)    

為了理解反應(yīng)機(jī)理，作者開展了系列控制實(shí)驗(yàn)（圖5）。在標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)條件下，向反應(yīng)體系中加入當(dāng)量的自由基抑制劑TEMPO和BHT時(shí)，反應(yīng)被抑制，通過HRMS和NMR分析，檢測(cè)到了TEMPO捕獲的產(chǎn)物，表明反應(yīng)中有自由基的生成。以底物4和7進(jìn)行自由基鐘實(shí)驗(yàn)時(shí)，除得到碳碳偶聯(lián)的產(chǎn)物之外，分別檢測(cè)到了開環(huán)的產(chǎn)物6和關(guān)環(huán)的產(chǎn)物9，進(jìn)一步驗(yàn)證反應(yīng)體系中確實(shí)存在烷基自由基。底物對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明底物中的酰胺鍵可能存在導(dǎo)向基的作用。以預(yù)先制備的兩種零價(jià)鐵為催化劑進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，也能以良好的轉(zhuǎn)化率得到偶聯(lián)產(chǎn)物，表明反應(yīng)可能是以零價(jià)鐵啟動(dòng)的。    

圖5 機(jī)理實(shí)驗(yàn)

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道，作者建議了可能的反應(yīng)機(jī)理（圖6）：首先，二價(jià)鐵在金屬試劑的還原作用下生成LFe⁰物種I，然后與底物1發(fā)生配位得到中間體II，隨后發(fā)生一步單電子轉(zhuǎn)移過程得到中間體III，中間體III進(jìn)一步與鋅試劑發(fā)生配體交換得到烷基鐵物種IV，再發(fā)生一步單電子轉(zhuǎn)移過程得到中間體V，最后還原消除得到目標(biāo)產(chǎn)物3以及LFe⁰物種I，完成整個(gè)催化循環(huán)。除此之外，中間體IV也可能發(fā)生分子內(nèi)的自由基取代反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物。盡管整個(gè)反應(yīng)機(jī)理中鐵中心的價(jià)態(tài)尚不明確，但根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道和機(jī)理實(shí)驗(yàn)，作者傾向于認(rèn)為反應(yīng)經(jīng)歷Fe^II/Fe⁰過程。    

圖6 可能的反應(yīng)機(jī)理

總之，朱守非課題組以廉價(jià)的金屬鐵絡(luò)合物為催化劑，實(shí)現(xiàn)了三級(jí)/二級(jí)/一級(jí)烷基鹵代物與有機(jī)鋅試劑的偶聯(lián)反應(yīng)，特別是三級(jí)C(sp³)與二級(jí)C(sp³)偶聯(lián)的首次實(shí)現(xiàn)，克服了空間位阻效應(yīng)對(duì)過渡金屬催化偶聯(lián)反應(yīng)的不利影響，抑制了消除、異構(gòu)等多種副反應(yīng)的發(fā)生，解決了存在大空間位阻的三級(jí)C(sp³)與二級(jí)C(sp³)之前不能發(fā)生偶聯(lián)的問題。本文發(fā)展的方法展現(xiàn)了鐵催化劑獨(dú)特的反應(yīng)特性，拓展了鐵催化劑的應(yīng)用范圍，同時(shí)也為過渡金屬催化構(gòu)筑全碳-季碳中心提供了新思路。    

文獻(xiàn)詳情：