共轭二烯烃作为重要的合成中间体在合成化学、药物化学和材料科学中有着广泛的应用。因此,近年来围绕过渡金属催化1,3-二烯烃及其衍生物的高效和多样性转化发展了多种合成策略。其中,基于过渡金属催化的自由基接力偶联策略发展了一系列合成方法,用于实现共轭二烯烃的选择性双官能化。但是该领域仍然存在着亟待解决的挑战:通过烯烃的自由基加成后,原位生成的烯丙基自由基中间体易于发生可逆的1,3-迁移,导致后续反应的区域和立体选择性控制的难度大大增加,从而生成具有Z-/E-构型的1,2-/1,4-双官能化的混合产物(图1a)。 近年来,苏州大学李杰课题组研究发现,有机锌试剂展现了独特的配阴离子效应,通过使用羧酸根阴离子替代传统卤素阴离子可以有效调控锌试剂的反应性,从而在廉价金属钴/镍催化偶联反应体系中展现出独特的反应优势(Nat. Commun. 2021, 11, 4366; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202202379; Nat. Commun. 2023, 14, 1454; Chem. Sci. 2023, 14, 8672; ACS Catal. 2023, 13, 9254)。基于此,李杰课题组近期进一步利用芳基特戊酸锌试剂的反应优势,实现了一种简洁的钴催化共轭二烯的1,2-选择性芳基烷基化反应,以完全可控的位点选择性和立体构型保持的形式在双键上顺序模块化安装烷基和芳基片段。值得注意的是,特戊酸根(OPiv)配位的芳基锌试剂是高效实现该转化的成功关键(图1b)。
图1. 自由基接力偶联策略实现共轭二烯双官能化的研究现状及局限性 该反应无需外加配体参与,在室温下以CoCl2(10 mol %)为催化剂、乙腈为溶剂,即可高效实现多取代共轭二烯烃、二氟溴乙酸酯和芳基特戊酸锌试剂的三组分顺序成键反应。基于该反应条件,作者对该合成方法的底物兼容性进行了广泛考察。实验结果表明,多种对位取代的芳基特戊酸锌试剂都能以较好的收率得到目标产物,其具有完全的1,2-区域选择性。含缩酮、偕二氟等官能团的烯基环己烯酸酯可以顺利进行钴催化自由基接力偶联反应。环状共轭二烯酸酯的环大小对预期转化影响不大,五元环、七元环、十二元环甚至茚基部分的共轭二烯酸酯都能以较好的收率得到目标产物。更具挑战的非环状共轭二烯酸酯也能成功实现1,2-二氟烷基芳基化偶联转化,而且该反应体系对含噻吩、醚、氯和溴的各种取代基具有良好的兼容性。值得注意的是,四取代丙烯酸酯的立体构型可以完全保留而不受影响(图2)。 图2. 芳基特戊酸锌试剂和共轭二烯烃的底物范围考察 此外,作者也进一步考察了卤代烷烃的适用范围,如溴代二氟酰胺、溴代二氟杂环、溴代二氟炔烃、全氟碘代丁烷,以及各种一级、二级、三级烷基溴代物等亲电试剂都可被兼容,并顺利地得到目标产物。为了进一步诠释该反应的合成应用前景,作者将其应用于多种药物分子和复杂天然产物分子衍生物的“模块化”后期结构修饰,如布洛芬、香茅醇、雌酮等衍生物都可以被该催化体系兼容,展现出该合成方法优秀的官能团兼容性和广谱适性,为新型先导化合物的合成与发现提供了可靠的合成方法(图3)。 图3. 卤代烷烃底物范围考察及合成方法在复杂分子后期修饰中的应用 随后,为进一步探索阴离子配位调控策略对芳基锌试剂反应性的影响,作者制备了包含传统卤素阴离子配位在内的六种芳基锌试剂,分别对其开展了原位反应监测的动力学实验。结果表明,传统卤素阴离子(X = Cl, Br, I)配位的芳基锌试剂在该偶联体系中反应性低,目标产物转化率低于20%。而当使用芳基特戊酸锌试剂为亲核试剂时,能以91%的分离收率得到芳基烷基化产物。这一实验结果再次验证了抗衡阴离子效应是调控有机锌试剂反应性的有效策略。除此之外,使用具有不同阴离子比例(Br vs OPiv)的Ph–Zn(Br)n%(OPiv)(100-n)%作为亲核试剂进行平行实验。作者发现,当苯基锌试剂(3a)中特戊酸根阴离子(OPiv)的比例上升至100%时,产物(4)的分离产率逐渐增加至91%。实验结果与相关的研究进一步表明,抗衡阴离子效应对芳基锌试剂活性以及对钴催化反应路径调控具有重要影响,这可能是由于OPiv配位的芳基锌试剂还原性较弱,从而能够在原位生成具有催化活性的一价钴(CoI)活性物种(图4)。 图4. 锌试剂的配阴离子效应 综上所述,作者在此报道了一种高区域选择性的钴催化1,3-二烯酸酯的烷基芳基化反应,该反应通过在双键上模块化地安装烷基和芳基片段,从而提供了一种在温和的反应条件下快速可靠地构建复杂的碳骨架的实用方法。对照实验强调了在钴催化自由基接力偶联反应中,OPiv配位的有机锌试剂发挥着关键作用。该策略的其他显著特点是操作简便,反应条件简单,底物范围广,官能团兼容性好。 论文信息 Modular 1,2-Selective Carboarylation of Conjugated Dienes Under Cobalt Catalysis Kaixin Chen, Jie Lin, Jiawei Guo, Haihong Chen, Jie Li 苏州大学硕士研究生陈开鑫&林杰为论文的共同第一作者,李杰教授为通讯作者,苏州大学为通讯单位,该研究得到了国家自然科学优秀青年基金、江苏省杰出青年基金以及江苏省“特聘教授”计划的经费支持。 ChemCatChem DOI: 10.1002/cctc.202401063