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內蒙古大學/成都大學明佳林、陳樹峰團隊Nat. Commun.:特殊鈀催化遷移環化反應用于苯并雜環化合物的高效合成

來源:內蒙古大學、成都大學      2025-04-12
導讀:過渡金屬催化的C?H鍵遷移官能團化反應在有機合成中具有重要意義,為遠程C?H鍵的選擇性功能化提供了新途徑。然而,傳統策略通常需要在芳環的鄰位預先引入鹵素或金屬基團,限制了底物的適用范圍。2025年,成都大學/內蒙古大學明佳林教授、內蒙古大學陳樹峰教授和重慶大學藍宇教授團隊合作,在《Nature Communications》上發表了一項突破性研究,報道了一種鈀催化的α-溴代烯烴衍生物ArXCBr=CH?的遷移環化反應,通過一種不同尋常的1,n-金屬遷移過程高效構建了多種苯并雜環化合物。通過研究表明,該反應的關鍵步驟是sp2碳之間的反式1,2-鈀遷移,為雜環合成提供了全新策略。
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鈀催化遷移環化。


正文

研究背景:遷移功能化(Migratory Functionalization)是指通過金屬從碳到碳的遷移來實現C?H鍵的功能化。這一過程在學術界和工業界都具有重要意義,因為它提供了一種非經典的方法,在不使用傳統交叉偶聯的情況下,選擇性地在遠端C?H位置安裝功能基團。目前,通過1,2-金屬遷移在sp3碳鏈上的烯烴或烷基鹵化物遠程C?H鍵功能化已經得到了很好的發展,但通過1,2-鈀遷移在sp2碳之間的遷移則鮮有報道。苯并雜環結構廣泛存在于天然產物、藥物分子和功能材料中。特別是苯并磷雜環化合物,因其獨特的電子性質和空間結構,在功能材料、生物活性分子和手性配體等領域具有重要應用價值。然而,現有合成方法往往面臨步驟繁瑣、底物范圍有限等問題?;诖耍搱F隊設想能否通過1,n-金屬遷移實現從烯基碳到芳基碳的遷移,進而引發C=C雙鍵的碳金屬化反應。

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研究背景

反應條件優化:研究團隊首先對一系列雙膦配體進行了篩選。實驗結果顯示,使用DPEPhos作為配體時,產物2a的產率最高,達到94%。其他配體如Xantphos、dppf、dppe等雖然也能生成產物,但產率較低。溶劑的選擇也對反應結果有顯著影響,二氯乙烷(DCE)是最優選擇,而在甲苯或二氯甲烷中反應效果較差。堿的選擇同樣重要,銫鹽(CsOPiv)表現出較好的催化效果,而醋酸銫(CsOAc)和鉀鹽(KOPiv)的效果則不如前者。

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3反應條件優化

底物拓展研究團隊測試了不同取代基對反應的影響。結果顯示,無論是苯基上的不同取代基(如甲基、叔丁基、苯基、甲氧基、氟或三氟甲基),還是其他類型的底物(如酮、酰胺、氧原子、硅、硫等),都能順利進行反應并獲得高產率的苯并雜環化合物。特別是對于含有磷、硅、硫、碳和氧基團的底物,反應均能高效進行,生成相應的苯并雜環化合物。此外,研究團隊還成功實現了該串聯反應的不對稱催化,使用手性鈀催化劑合成了具有良好對映選擇性的P-手性苯并磷雜環化合物。這些產物可進一步轉化為手性雙膦配體,為手性膦配體的合成提供了新思路。

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底物拓展

反應機理研究研究團隊通過系統的機理實驗和DFT計算,揭示了反應進行的路徑。氘代實驗表明,反應并未按預期的氧化加成1,4-鈀遷移芳基鈀化路徑進行。DFT計算顯示,反應經歷氧化加成→堿輔助去質子化→質子化→芳基C?H鍵協同金屬化-去質子化(CMD)C?C鍵還原消除的過程。DFT計算排除了直接β-氫消除和苯基C?H鍵協同金屬化-去質子化兩種可能的途徑,它們的能壘分別比最優途徑高3.8 kcal/mol20.4 kcal/mol

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5 DFT計算


總結

綜上所述,該工作的研究亮點總結于以下四個方面:一種不同尋常的反式1,2-鈀遷移:通過機理研究揭示了sp2碳間反式1,2-鈀遷移的關鍵作用,突破了傳統1,4-鈀遷移的認知框架廣泛的底物適用性:成功應用于磷、硅、硫、碳、氮、氧等多種雜原子的苯并雜環合成,包括苯并磷雜環、苯并噻吩氧化物、吲哚等;不對稱合成突破:實現了P-手性苯并磷雜環的對映選擇性合成,為手性配體開發奠定基礎;機理深度解析:結合同位素標記實驗和DFT計算,闡明了反應遷移環化過程的詳細機制。

文獻詳情:

Synthesis of benzoheterocycles by palladium-catalyzed migratory cyclization through an unexpected reaction cascade
Wen-Cong Li, Lin Zhang, Shiming Bai, Jia-Hao Zhao, Guang-Rui Liu, Yu Lan,* Shufeng Chen,* and Jialin Ming.*  
Nature Communications2025, 16, 3367
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58633-5
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