Science：光促进，钴催化，利用烯烃与胺合成酰胺

导读

近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校(University of North Carolina at Chapel Hill) Erik J. Alexanian课题组报道了在温和的低压条件下，通过光促进，廉价羰基钴催化，实现了烯烃的氢-氨羰基化反应。此外，通过在反应后加入硅烷，经连续的钴催化酰胺还原，实现了形式上的烯烃氢-胺甲基化反应。该转化对烯烃和胺均具有良好的兼容性，且具有优良的化学选择性和区域选择性，即使在无溶剂的情况下也能有效进行。此反应通过羰基钴中羰基配体的光解作用形成氢化钴，在温和的反应条件下激活了其催化活性，这解决了催化领域长期存在的挑战。相关成果发表在Science上，文章链接DOI: 10.1126/science.adk2312。

（图片来源：Science）

正文

烯烃和胺的催化转化在高原子经济性合成含氮小分子中具有广泛应用。近些年，金属催化烯烃和胺的羰基化偶联引起了化学家们的广泛关注，其并不是两者之间的直接C-N键偶联，而是在两个反应组分之间插入了一个一氧化碳分子（Fig. 1A）。尽管目前此领域已经取得了实质性进展，但涉及金属催化烯烃和胺的羰基化偶联中的关键限制仍然存在，如高温、高压、没有使用廉价金属作催化剂和不能使用烷基胺作为底物等。此外，端烯和多取代烯烃与胺的直接羰基化偶联（烯烃的氢-氨羰基化）还是未知的。目前的氢-氨羰基化反应中烯烃和胺的底物范围都具有一定的局限性，并且需要在高温高压下使用贵金属催化剂才能进行。且当使用烷基胺作为底物时，其路易斯碱性会使金属催化剂中毒或抑制催化中间体。因此，在温和的反应条件下，利用地球上的丰产金属实现胺与烯烃偶联仍然是催化领域的主要挑战。基于Erik J. Alexanian课题组早期关于芳香亲电试剂的氨羰基化反应的探索（Chem. Sci. 2020, 11, 7210；Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202210772），其推测如果HCo(CO)3同样可以在烯烃存在下生成，且该物种在反应条件下是稳定的，并且对具有强路易斯碱性的烷基胺耐受，那么未经修饰的廉价Co2(CO)8可以在光促进的温和反应条件下实现氢-氨羰基化反应（Fig. 1B）。最近，美国北卡罗来纳大学教堂山分校Erik J. Alexanian课题组报道了在温和的低压条件下，通过光促进，廉价羰基钴催化，实现了烯烃的氢-氨羰基化反应。反应后硅烷的加入，通过连续的钴催化酰胺还原还可以实现形式上的烯烃氢-胺甲基化（Fig. 1C）。 下载化学加APP到你手机，更加方便，更多收获。

（图片来源：Science）

首先，作者对氢-氨羰基化反应的反应条件进行了条件优化。通过一系列条件筛选，作者发现当使用Co2(CO)8 (1.0 mol%), 在2 atm CO氛围中，390 nm LED照射下，MTBE中90 °C反应4小时为最佳条件。控制实验表明，在不存在Co2(CO)8和390 nm LED照射下反应是不发生的。

接下来，作者对此转化的底物范围进行了考察（Fig. 2）。实验结果表明，包括端烯、1,1-二取代烯烃、1,2-二取代烯烃、环状烯烃、非环烯烃均具有良好的兼容性，以42-95%的产率得到相应的酰胺产物1-16。值得注意的是，此转化对于具有复杂生物碱天然产物的烯烃同样兼容，以22-85%的产率得到相应的产物17-23。此外，此转化对环状和非环状的一级胺和二级胺同样具有良好的兼容性，以48-95%的产率得到相应的酰胺产物24-34。值得注意的是，氨气和生物活性分子同样可以参与此转化，得到酰胺产物35-37，产率为44-92%。

（图片来源：Science）

在成功实现了烯烃的氢-氨基化反应后，作者探索了烯烃的氢-胺甲基化反应（Fig. 3）。实验结果表明，反应后加入硅烷通过连续的钴催化酰胺还原，可以实现形式上的烯烃氢-胺甲基化，以54-92%的产率得到相应的二级或三级胺产物38-45，从而避免了传统氢-胺甲基化反应中的化学选择性问题。随后，作者使用分离的酰胺进行控制实验，结果表明CO氛围和390 nm LED的照射均能提高酰胺的还原效率。

（图片来源：Science）

接下来，作者探索了此方法的实用性（Fig. 4）。当使用由四种辛烯同分异构体组成的等量反应混合物为底物时，可以以与使用1-辛烯反应相似的产率（84%）和选择性（19:1 l/b）得到酰胺产物2，证明了此氢-氨基化反应的高区域收敛性（Fig. 4A）。为了测试催化活性的极限，作者在0.1 mol%催化负载和无溶剂的情况下，以十克级规模进行了环己烯与哌啶的氢-氨羰基化反应，结果仍可以以85%的产率得到酰胺产物11，从而证明了此转化的实用性（Fig. 4B）。

（图片来源：Science）

最后，作者提出了此转化可能的反应机理（Fig. 5）：钴催化剂发生歧化后，光促进失去CO配体后形成[Co(CO)3]-，其随后通过质子化生成HCo(CO)3。之前的紫外-可见光吸收研究表明，[Co(CO)4]-可以吸收390 nm LED发出的光。且氢-氨羰基化反应量子产率较高（Φ = 15.7），这与CO光解后和另一次光解之前需要多次催化循环相一致，这可能是由于[Co(CO)3]-的质子化在低反应压力下会优先于CO配位。这些条件有利于形成对路易斯碱性胺稳定的氢化钴，并有利于烯烃配位。这种配位随后经历氢-钴化，得到区域异构体烷基钴中间体，其能够通过连续的β-氢消除和重新插入过程发生异构化。该反应的高线性选择性表明中间体烷基钴的链行走速度较快。紧接着发生CO配体的迁移插入形成三羰基酰基钴。接下来胺亲核试剂配位到金属中心，随后通过协同加成和/或还原消除生成酰胺产物[Co(Co)3]-，其经历质子交换再生HCo(CO)3。

（图片来源：Science）

总结

Erik J. Alexanian课题组报道了在温和的条件下，通过光促进和钴催化，实现了烯烃的氢-氨羰基化和氢-胺甲基化反应。这种使用未经修饰的Co2(CO)8的特殊催化模式使烯烃的氢-氨羰基化成为可能，并可以以100%的原子经济性，在温和的反应条件下合成酰胺。从丙烯到复杂生物碱天然产物烯烃的成功转化，以及从氨到药物相关胺的成功转化，突出了此方法的实用性。此反应的发展为与医学相关的功能化小分子的制备到工业规模生产提供了新的途径。

文献详情：

Mason S. Faculak, Alexander M. Veatch, Erik J. Alexanian*. Cobalt-catalyzed synthesis of amides from alkenes and amines promoted by light. Science, 2024, 383, 77-81. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk2312.

长按扫码，查看原文