氧化偶联反应的最新研究进展

有机化学ChineseJournalofOrganicChemistryACCOUNT*E-mail:[e-mail]14,2014;revisedJanuary24,2015;publishedonlineJanuary28,2015.Projectsupportedbythe973Program(Nos.2012CB725302,2011CB808600),theNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.21390400,21272180,and21302148),andtheResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducationofChina(No.20120141130002),theProgramforChangjiangScholarsandInnovativeResearchTeaminUniversity(No.IRT1030),theMinistryofScienceandTechnologyofChina(No.2012YQ120060)andtheProgramofIn-troducingTalentsofDisciplinetoUniversitiesofChina(111Program).科技部973计划(Nos.2012CB725302,2011CB808600)、国家自然科学基金(Nos.21390400,21272180,21302148)、高等学校博士学科点专项科研基金资助(No.20120141130002)、教育部长江学者和创新团队发展计划(No.IRT1030)、国家科学技术部基金(No.2012YQ120060)、高等学校学科创新引智计划(111项目)资助项目.Chin.J.Org.Chem.2015,35,743～759©2015ChineseChemicalSociety&SIOC,CAS:10.6023/cjoc201411028研究专题氧化偶联反应的最新研究进展张剑a陆庆全a刘超a雷爱文*,a,b(a武汉大学化学与分子科学学院高等研究院武汉430027)(b江西师范大学国家单糖化学合成工程技术研究中心南昌330022)摘要近年来,过渡金属催化的氧化偶联反应已成为有机合成化学中构建碳—碳键以及各类碳—杂键的重要方法.主要综述了我们研究小组在氧化偶联领域,尤其是第三代氧化偶联反应方面所取得的研究进展,介绍了各类反应的特点、优势及在合成中的应用.关键词氧化偶联;氧化羰基化;氧化酯化;亲核试剂RecentAdvancesinOxidativeCouplingReactionsZhang,JianaLu,QingquanaLiu,ChaoaLei,Aiwen*,a,b(aCollegeofChemistryandMolecularSciences,InstituteforAdvancedStudies(IAS),WuhanUniversity,Wuhan430072)(bNationalResearchCenterforCarbohydrateSynthesis,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022)AbstractRecently,transition-metal-catalyzedoxidativecouplingreactionshaveemergedasthemostimportantandattrac-tivemethodstoconstructcarbon-carbonbondandcarbon-heteroatombondsinorganicsyntheticchemistry.Thisreviewmainlysummarizesourresearchprogressintheareaofoxidativecouplingandtheirversatility,applicationinorganicsynthesis,espe-ciallyforthethirdgenerationofoxidativecoupling.Keywordsoxidativecoupling;oxidativecarbonylation;oxidativeesterification;nuclephiles偶联反应始于20世纪60年代,是各类亲电试剂在金属催化剂催化下与各种金属亲核试剂形成碳—碳键以及各类碳—杂键的反应.这类经典偶联反应在底物的普适性与官能团兼容性等方面有着优异表现,自发现至今得到了快速发展,在过去几十年当中一直都是有机合成研究的热点,其研究成果广泛应用于生物、医药、农药、仿生、材料、天然产物全合成等各个领域当中,极大地促进了有机化学发展[1].该领域也涌现出了一批杰出的化学家,成就了众多的人名反应[2],正是由于在这个领域的杰出贡献,Heck,Negishi和Suzuki三位化学家在2010年被授予诺贝尔化学奖.随着偶联反应不断的成熟和完善,越来越多的化学工作者开始意识到:经典偶联反应中所使用的亲电试剂多数都是由亲核试剂经过多步功能团化后转化而来,这在很大程度上制约了经典偶联反应的发展及其应用.在此背景下,直接使用亲核试剂构建各类化学键的氧化偶联反应便应运而生[3].与经典偶联反应相比,氧化偶联反应不仅减少了繁冗的底物前功能团化操作,提高了反应效率,而且其原料来源也更为广泛,大大增加了反应的实用性,降低了生产成本.值得一提的是,第三代氧化偶联反应使用碳氢化合物作为亲核试剂,偶联反应之后丢掉的只是两个氢原子,从反应形式上看,大大提高了物质构建过程中的原子经济性,更符合当今绿色化学发展的宗旨.目前,氧化偶联反应的发展虽然还处于一个初级阶段,但是其发展迅速,每年发表的《科学引文索引》(SCI)论文数量持续攀升,表明氧化偶联反应已是有机化学研究专题744©2015ChineseChemicalSociety&SIOC,CASChin.J.Org.Chem.2015,35,743～759有机化学的热点研究领域之一.主要综述了我们研究小组近几年来在氧化偶联领域所取得的一些研究成果,将分为三个部分进行论述:氧化偶联反应进展、第三代氧化偶联反应、结论与展望;其中着重介绍第三代氧化偶联反应.1氧化偶联反应进展负负相斥是自然界的基本规律,要实现两个亲核试剂之间的偶联反应,就需要往反应体系里面引入氧化剂,转移成键过程中多余的两个负电荷,这从反应历程上决定了其与经典偶联反应的本质不同.近年来,在金属有机化学研究的推动下,氧化偶联反应取得了许多突破.本部分将根据亲核试剂的不同来论述氧化偶联反应的发展.1.1第一代氧化偶联反应:两个金属试剂作为亲核试剂1993年,Lipshutz等[4]首次实现了两个芳基金属试剂的交叉偶联反应,该反应中使用化学计量的CuCN和氧气作为氧化剂在低温下实现了多种不对称联芳烃的合成.我们课题组[5]于2006年报道了第一例烷基锌试剂与炔基锡试剂的钯催化氧化偶联反应.使用廉价的2-氯-2-苯基苯乙酮(desylchloride)作为氧化剂在Pd(dba)2催化下高选择性地得到了氧化交叉偶联产物(Eq.1),该反应的底物适用范围也比较广泛,各种脂肪链的烷基锌试剂都可以取得中等到优秀的收率,而且该反应体系还可以兼容羰基化合物.与经典偶联反应的机理不同[3a,3c],该反应中零价钯首先被2-氯-2-苯基苯乙酮(desylchloride)氧化到二价钯物种启动催化循环,二价钯物种C分别经过与烷基锌试剂和炔基锡试剂的两次转金属化后得到中间体E,之后中间体E经过还原消除即得到目标产物,同时释放出零价钯实现催化循环(Scheme1).我们的相关机理研究表明,该反应之所以高选择性地得到氧化交叉偶联产物,其关键在于该反应条件下烷基金属试剂的自偶联反应速度较为缓慢而炔基锡试剂的自偶联反应并不发生.在线红外跟踪反应显示烷基锌试剂选择性地与钯氧键发生转金属化而炔基锡试剂则选择性地与钯氯键发生转金属化.值得指出的是,该反应可以很好地兼容各种含图式1烷基锌试剂与炔基锡试剂的氧化偶联反应可能的反应机理Scheme1Proposedmechanismfortheoxidativecross-coup-lingofalkylzincwithalkynylstannanes有β-氢的烷基锌试剂,其原因可能是联苯乙烯酮(DBA)作为π酸配体加速了反应的还原消除步骤,从而抑制了β-氢消除步骤.基于对该反应机理的深刻理解以及动力学行为的认识和探究,随后我们还高选择性地实现了芳基锌试剂与烷基铟试剂的氧化交叉偶联反应(Eq.2)[6].该反应对于不同的一级以及二级铟试剂都可以取得很好的结果,进一步丰富和拓展了氧化偶联反应的成键类型以及底物适用范围,其反应机理与上面类似,不再赘述.1.2第二代氧化偶联反应:碳氢化合物与金属试剂作为亲核试剂第一代氧化偶联反应使用不同金属试剂作为亲核试剂高选择性地得到氧化交叉偶联产物,该方法为各种化学键的构筑提供了一种新的成键模式.然而从其原料的来源和制备角度考虑,该类反应不够绿色经济,底物范围也局限很多.相反,作为自然界普遍存在的碳氢化合物不仅来源十分广泛,相对也更廉价易得,作为亲核试剂实现氧化偶联反应,从反应形式上而言,昀终丢掉的原子更少,原子经济性也更高,实际应用也会更加广泛.例如Oi等[7]于1998年首次报道了芳烃和芳基金属试剂的氧化偶联反应,反应中通过吡啶作为导向基团选择性地在2-芳基吡啶的芳基邻位C—H键上与芳基锡试剂发生作用实现芳基化.基于这些考虑,在第一代氧化偶联反应的基础上,我们课题组发展了第二代氧化偶联反应:即使用碳氢化合物与金属试剂作为亲核试剂实现ChineseJournalofOrganicChemistryACCOUNTChin.J.Org.Chem.2015,35,743～759©2015ChineseChemicalSociety&SIOC,CAS氧化偶联反应.2008年,我们课题组[8]率先报道了使用烷基/芳基取代的铟试剂与醇类的氧化羰基化反应(Eqs.3,4),仍然使用了廉价的2-氯-2-苯基苯乙酮(desylchloride)作为氧化剂,在60℃和0.34MPa一氧化碳压力条件下即可顺利地实现氧化羰基化反应且不需要额外的碱,对于醇、伯胺等亲核试剂都可以取得满意的结果.该反应不仅弥补了烷基卤代物由于对低价金属氧化加成困难而不易实现羰基化反应的缺陷[9],而且对于二级芳基铟试剂的反应也可顺利进行.同时,该反应很好地抑制了β-氢消除步骤[9a,10],对于一级以及二级铟试剂都可以顺利参与反应.由于铟试剂本身较弱的碱性以及温和的反应活性,该反应底物的官能团兼容性效果也非常好.随后,我们运用在线红外等手段对该反应的机理进行了研究,认为该反应首先由2-氯-2-苯基苯乙酮(desylchloride)将零价钯氧化到二价钯启动催化循环,经过醇解以及一氧化碳插入步骤得到中间体C,再经过转金属化和还原消除步骤即得到产物并释放出零价钯实现催化循环(Scheme2).PhPhOPd(II)ClPhPhOPd(II)ClPhPhOClPd(0)R13InCO,R2OHPhPhOR2OPdOClR12InClR2OPdOR1R2OOR1CABD图式2烷基/芳基取代的铟试剂的氧化羰基化反应的推测机理Scheme2Speculatedreactionpathwaysoftheoxidativecar-bonylationofarylandalkylindiumreagents在此基础上,2010年,我们[11]又首次实现了芳基硼酸酯的氧化羰基化反应(Eq.5).该反应在40～50℃即可顺利进行,使用一个大气压的一氧化碳以及使用氧气作为氧