錳催化C-H鍵活化串聯環(huán)化反應的研究進展

余任镕,謝吳成,馮志豪,金可欣,林佳豪,簡心儀,林欽洪

（佛山科學技術學院，廣東 佛山 528000）

幾乎所有的有機化合物中都含有碳氫鍵,但由于C-H鍵的鍵能非常高、鍵的極性小等因素使得其具有惰性,因此在溫和條件下將C-H鍵選擇性催化活化構建其它化學鍵存在熱力學和動力學的雙重挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的有機合成方法相比,C-H鍵直接活化避免了對反應底物的預官能團化,而且反應副產物少、原子利用率高。近二十年來,過渡金屬催化的C-H鍵活化反應取得了顯著的進展,已成為構建復雜有機化合物的一項重要的、符合原子經濟觀點的強有力工具[1]。

當前,經典金屬催化劑主要集中在后過渡金屬—特別是銠、釕、鈀、銥等 “貴金屬”,該類催化劑通常價格昂貴,同時具有較大的金屬毒性。基于可持續(xù)發(fā)展和綠色催化的理念,第一排過渡金屬,尤其是錳,由于其在地殼中儲量豐富、廉價易得、具有低毒低污染、對環(huán)境友好、高潛在催化活性等特點,在有機金屬化學和過渡金屬催化C-H鍵活化方面具有巨大的潛力[2]。

早在1970年,Bruce等[3]報道了第一例化學計量比的錳介導的偶氮苯C-H鍵活化反應(如圖1所示）。然而,在接下來的40年里,錳催化C-H活化反應的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)。1999年,Hartwig,Kuninobu and Takai等零星報道了幾例錳催化C-H活化反應,但沒有形成系統(tǒng)錳催化C-H鍵活化體系,亟需發(fā)展普遍適用的錳催化C-H鍵活化體系和更多的反應類型。

圖1 第一例化學計量比錳介導的偶氮苯C-H鍵活化反應Fig.1 The first example of C-H bond activation of azobenzene mediated by stoichiometric ratio of manganese

2013年,王從洋課題組[4]通過采用BrMn(CO）5和Cy2NH的催化劑組合,發(fā)展了錳/胺協同脫質子的C-H活化新模式(如圖2所示）。進而,通過錳配體間質子轉移及分子內炔基輔助錳實現C-H活化等關鍵步驟,構建了完整的錳催化循環(huán)。這個研究是自1989年發(fā)現該類當量反應以來首次實現的錳催化的芳烴C-H烯基化反應。

圖2 首例錳催化的芳烴與端炔的C-H烯基化反應Fig.2 The first case of C-H alkenylation of aromatics with terminal alkynes catalyzed by manganese

隨后,錳催化的C-H鍵活化反應蓬勃發(fā)展,通過①錳金屬與堿協同；②錳族金屬與酸協同；③錳金屬與配體協同的研究策略,建立了錳金屬有機催化的新體系,實現了一系列錳金屬催化惰性C-H鍵高效活化/轉化的新反應和新方法實現。目前,具有獨特活性和選擇性的錳催化劑已廣泛地應用于C-H活化烷基化、烯基化、炔基化、酰胺化、氰基化和簡單的芳烴環(huán)化[4]。

1 錳催化的C-H鍵活化串聯環(huán)化反應構建稠合多環(huán)化合物

稠合多環(huán)類化合物是一類重要的具有廣泛生物活性的化合物,其合成受到了國內外化學工作者的高度關注。構建稠合多環(huán)骨架最有效的反應模式之一是串聯反應,在合成稠合多環(huán)衍生物方面顯示了獨特的優(yōu)越性。與一些傳統(tǒng)的方法比較,由于串聯反應是將若干單元反應按一定順序級聯反應,具有(1）無分離中間體,直接用于原位反應,從而簡化了操作步驟。對于敏感的、不穩(wěn)定的中間體,這一優(yōu)點尤為突出(2）操作簡單產率高,而且可以得到用一般方法難以得到獨特的化學結構,大多具有很高的選擇性。目前為止,錳催化的C-H鍵活化通常可以構建較為簡單的環(huán)狀化合物,通過串聯環(huán)化反應構建復雜稠合多環(huán)化合物的報道仍然非常稀少。

1.1 錳催化C-H活化與烯烴串聯合成稠環(huán)

2017年,Ackermann課題組[5]發(fā)展了錳催化亞胺和亞甲基環(huán)丙烷的雙環(huán)環(huán)化反應(圖3a）。王洪根課題組[6]利用Mn(I）和Ag(I）催化C-H活化與聯烯合成了類似復雜結構(圖3b）。作者利用同樣的Mn(I）催化體系,并在AgOTf的協同催化下,發(fā)生串聯催化反應,即先發(fā)生碳氫鍵烯丙基化反應,然后發(fā)生Povarov環(huán)化進而實現了一鍋法四環(huán)6-5-6-6雜環(huán)體系的快速構建,取得了中等到良好的產率。隨后,王洪根課題組和Rueping課題組[7-8]還分別開發(fā)了錳催化的C-H烯基化串聯Smile重排反應獲得吡咯酮并吲哚衍生物(圖3c）。

圖3 錳催化C-H活化與烯烴串聯反應Fig.3 Manganese-catalyzed C-H activation and series reaction with olefin

1.2 錳催化吲哚與1，6-二炔的串聯環(huán)化反應

2018年,陳萬芝課題組[9]報道了在氧化條件下,錳催化吲哚和1,6-二炔之間的選擇性環(huán)化反應,以中等至良好的產率獲得了許多咔唑并環(huán)類衍生物(如圖4所示）。稠環(huán)化合物的形成涉及錳催化的C-H鍵活化、炔烴插入和氧化脫氫的串聯環(huán)化,一鍋法構建三個C-C鍵并形成咔唑并環(huán)結構。

圖4 錳催化吲哚與1,6-二炔的串聯環(huán)化反應構建咔唑并環(huán)類化合物Fig.4 Manganese-catalyzed C-H activation of indole and series cyclization with 1,6-diyne to construct carbazoles

1.3 錳催化吲哚C-H活化與炔烴串聯周環(huán)反應構建稠合多環(huán)化合物

周環(huán)反應可以方便地構造復雜的多環(huán)結構,將錳催化C-H活化與周環(huán)反應組合的策略是一種高效合成復雜稠合多環(huán)結構的途徑。2018年,劉丙賢課題組[10]實現了Mn(I）催化吲哚的C-H活化和1,6-炔烯串聯反應(如圖5所示）,并獲得了吲哚稠合苯酚產物。在Zn(OAc）2/PivOH的存在下,反應經連續(xù)的C-H活化烯基化、分子內DA反應和消除-芳構化形成稠合苯酚。錳催化的選擇性與使用銠和鈷催化劑的報道相反,突出了錳催化劑的獨特反應性和選擇性。

圖5 錳催化吲哚C-H活化構建稠合苯酚衍生物Fig.5 Manganese-catalyzed C-H activation of indole to construct fused phenol derivatives

2019年,李興偉小組[11]報道了通過錳催化C-H活化和周環(huán)反應合成八元和四元碳環(huán)化合物(如圖6）。Mn(I）催化的3-烯基/3-烯丙基吲哚與炔丙基碳酸酯的C-H活化烯丙基化接著β-消除形成聯烯中間體,隨后通過周環(huán)化或[2+2]環(huán)加成反應分別得到稠合的八和四元碳環(huán)。兩種反應體系均具有廣域性、官能團相容性和高選擇性。

圖6 錳催化C-H活化串聯周環(huán)反應合成八元和四元碳環(huán)化合物Fig.6 Synthesis of eight and four membered carbon ring compounds by manganese-catalyzed C-H activation via series pericyclic reactions

圖7 錳催化異芳烴和丙炔碳酸鹽Diels-Alder/retro-Diels-Alder串聯脫氰反應Fig.7 Manganese-catalyzed series decyanation of isoaromatics via Diels-alder/Retro Diels-Alder reaction

隨后,李興偉課題組[12]報道了錳催化三類雜環(huán)芳烴與丙炔碳酸酯之間的脫氰酸酯交換反應(如圖7所示）。雜芳烴中的吡啶基/嘧啶基最初起導向作用實現錳催化的C-H烯基化、形成聯烯中間體,然后它們與烯基部分進行Diels-Alder/retro-Diels-Alder反應合成稠合雜環(huán)。

2 結 語

近些年,錳催化C-H鍵活化反應引起了人們的極大關注,并取得了爆炸性的進展。但目前錳催化的C-H鍵活化通常可以構建較為簡單的環(huán)狀化合物,但是構建較復雜的化合物的文章以及報道仍然非常少,具有一定的局限性。在溫和的條件下開發(fā)高效、多用途的錳催化C-H鍵活化串聯反應構建復雜稠合多環(huán)化合物是一種非常理想的高效策略,近年來也取得一定的進展。但目前錳催化串聯反應合成稠合多環(huán)的導向基團主要集中在含氮類導向基團上,如亞胺或吡啶/嘧啶基,需要拓展更多的雜原子導向基團；反應物主要集中在C-H鍵活化與烯烴或炔烴的串聯環(huán)化反應,需要嘗試設計更多耦合底物。我們相信,在不久的將來這一領域將蓬勃發(fā)展,涌現出更多的錳催化C-H鍵串聯環(huán)化反應,為構建復雜的稠合多環(huán)骨架提供高效的合成方法及策略。