中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)汪義豐課題組和北京大學(xué)余志祥課題組合作，利用氮雜卡賓-硼自由基的獨(dú)特反應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)了一類新型的自由基催化環(huán)化異構(gòu)化反應(yīng)，為喹啉酮類化合物的合成提供了全新的策略。通過(guò)機(jī)理研究，證實(shí)了該轉(zhuǎn)化歷經(jīng)了一個(gè)罕見(jiàn)的碳-碳三鍵重組的過(guò)程。
自由基催化是有機(jī)催化領(lǐng)域的重要組成部分。由于自由基物種具有獨(dú)特的反應(yīng)活性，利用自由基作為催化劑有可能實(shí)現(xiàn)其他方法難以實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。然而，自由基催化領(lǐng)域在過(guò)去幾十年內(nèi)的發(fā)展卻十分有限，其主要原因在于，大多數(shù)自由基反應(yīng)活性較高，很難構(gòu)建高效的催化循環(huán)。迄今，自由基催化較為成功的實(shí)例是硫自由基或錫自由基催化的乙烯基環(huán)丙烷和烯烴的成環(huán)反應(yīng)（J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 3300. Tetrahedron Lett. 1988, 29, 5135. 圖1a）。2014年，京都大學(xué)Maruoka教授利用手性硫醇做為催化劑前體，實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱的自由基催化反應(yīng)（Nat. Chem. 2014, 6, 702.）。最近，華中師范大學(xué)肖文精和陳加榮課題組報(bào)道了一例新型的氮自由基催化的烯烴雙官能團(tuán)化反應(yīng)（Chem. Eur. J. 2019, 25, 8024. 圖1a）。
圖1
汪義豐課題組近年來(lái)一直從事有機(jī)硼自由基化學(xué)方面的研究。在探索N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺的自由基硼化反應(yīng)過(guò)程中，他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)硼化產(chǎn)物，卻意外分離得到了重排產(chǎn)物喹啉酮類化合物。進(jìn)一步和余志祥教授合作，通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)證明，該反應(yīng)是由氮雜卡賓-硼自由基催化進(jìn)行的。值得指出的是，在該反應(yīng)過(guò)程中，發(fā)生了罕見(jiàn)的骨架重排，其中包含多個(gè)化學(xué)鍵的斷裂和重組（圖1b）。
圖2
通過(guò)條件篩選，作者確立了以氮雜卡賓-硼烷為硼自由基前體，1,1'-偶氮(氰基環(huán)己烷)（ACCN）為自由基引發(fā)劑的最優(yōu)條件（圖2）。隨后，作者對(duì)反應(yīng)的適用范圍進(jìn)行了研究。N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺中兩個(gè)芳環(huán)上可以引入多種取代基，將N上面的烷基調(diào)整為烯丙基、炔丙基時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率有所下降，N-H酰胺1w以及酯類底物1x在該反應(yīng)條件下不能生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物。
圖3
為了弄清骨架重排的具體歷程，作者開(kāi)展了13C標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示碳?碳三鍵在反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生了重組（圖 3a）?；谠搶?shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了合理的反應(yīng)路徑(圖 3b)：氮雜卡賓?硼自由基加成到端炔的碳原子上產(chǎn)生烯基自由基中間體I，I與苯甲?；糠职l(fā)生環(huán)化以及碳?碳鍵斷裂來(lái)實(shí)現(xiàn)第一次芳基遷移，生成的?；杂苫?strong>Ⅲ與烯基部分反應(yīng)分子內(nèi)5-exo-trig環(huán)化得到α-硼烷基自由基中間體Ⅳ。中間體Ⅳ進(jìn)一步發(fā)生第二次芳基遷移得到穩(wěn)定的自由基中間體Ⅵ，在這一步中，底物中炔基的兩個(gè)碳原子改變了排列順序，重組生成了新的化學(xué)鍵。最終，中間體Ⅵ通過(guò)β-斷裂生成產(chǎn)物并釋放出氮雜卡賓?硼自由基來(lái)完成催化循環(huán)。作者通過(guò)密度泛函理論計(jì)算驗(yàn)證了上述反應(yīng)機(jī)理的合理性，并揭示了反應(yīng)的熱力學(xué)特征。
這是一例利用氮雜卡賓?硼自由基作為催化劑的新型N-(2-乙炔基芳基)芳基酰胺的環(huán)化異構(gòu)化反應(yīng)。該反應(yīng)拓展了硼自由基的反應(yīng)性能，驗(yàn)證了硼自由基在自由基催化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，同時(shí)豐富了自由基催化反應(yīng)類型。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、南開(kāi)大學(xué)元素有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。該工作以Research Article的形式發(fā)表在CCS Chemistry 2019年第五期。
文章詳情：
NHC-Boryl Radical Catalysis for Cycloisomerization With C–C Triple Bond Reorganization
Ai-Qing Xu , Feng-Lian Zhang , Tian Ye , Zhi-Xiang Yu & Yi-Feng Wang
DOI: 10.31635/ccschem.019.20190025
Cite this: CCS Chem. 2019, 1, 504–512
