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JACS:Pd(II)-Pd(II)转金属化实现电化学双C−H芳基偶联

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导读:

最近,德国哥廷根大学(Georg-August-Universität Göttingen)Lutz Ackermann课题组报道了一种新颖的钯催化电化学双C-H氧化偶联反应,可以实现多种联芳烃化合物的高效合成。相关研究成果发表在近期的《美国化学会志》上(J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.3c08479)。该反应兼容多种芳烃化合物,包括缺电子芳烃,且反应中芳烃底物的自偶联和氧化能够得到有效抑制。通过后期官能团化和杀菌剂啶酰菌胺的前体合成,进一步验证了反应的应用价值。细致的机理研究证明反应是通过双金属机理发生转化,两个Pd(II)络合物间的转金属化是反应的决速步。

背景介绍(Figure 1):

联芳基是非天然药物、农药、配体和π-共轭材料中存在的一类重要片段。卤代芳烃和有机金属化合物间的偶联反应,是构建联芳烃的经典方法,但也会因多步官能团转化导致生成超化学计量的废弃物。相比之下,芳烃底物间的钯催化交叉脱氢偶联可以实现联芳烃的直接合成,符合原子经济性和绿色化学概念(Figure 1a)。上海交大陆文军课题组和Fagnou、Deboef、Sanford等课题组在钯催化双C-H活化构建联芳烃方面,做出了许多先驱性工作并取得重要进展。然而,反应中存在的催化效率低下、底物普适性差和副产物生成难题,使其转化机理受到了部分质疑。

机理方面,普遍接受的可行性催化循环包括一个Pd(II)中心,其会经历两次C-H键裂解(通过协同金属去质子化发生)、碱促进分子内亲电取代、σ-键交换或亲电金属化,但此机理所涉及转化步骤因存在高能量壁垒而受到部分质疑。此外,Sanford、Michael、Yu等课题组报道了Pd(II)/Pd(IV)氧化还原体系,Ritter组报道了涉及双核Pd(III)的催化循环。Echavarren的机理研究证实,在Catellani领域,Pd(II)络合物间的转金属化比Pd(II)/Pd(IV)氧化还原循环更合理。虽然Davidson和Triggs等人在1968年就提出了Pd-Pd转金属化,但这种途径的实验证据却比较少,仅Osakad、Hartwig、Stahl等课题组研究中涉及(Figure 1b)。

施章杰组报道的多C-H活化构建联芳烃Figure 1c, Angew. Chem. Int. Ed.2008, 47, 1115 –1118)研究工作的启发,哥廷根大学Lutz Ackermann课题组利用电化学方法,经双C-H活化也实现了联芳烃的高效合成(Figure 1d)。机理研究证实Pd-Pd转金属化是反应的决速步

(Figure 1,来源:J. Am. Chem. Soc.)

条件筛选研究(Scheme 1):

作者首先以N-乙酰基四氢喹啉1a和邻二甲苯2a为模板底物,开展条件筛选研究。通过对溶剂、氧化剂、配体、温度、电解池等参数进行细致优化,得出如entry1 in Scheme 1所示最优反应条件,反应能以72%的产率得到理想偶联产物联芳烃3。控制实验显示,钯催化剂和电流对反应的发生至关重要(entries 5、6 in Scheme 1),Cu(OTf)2、碱和未分隔电解池则会影响反应产率(entries 3、4、7 in Scheme 1)。

(Scheme 1,来源:J. Am. Chem. Soc.)

底物拓展和应用(Scheme 2):

基于优化出的反应条件,作者接着开展底物拓展研究。如Scheme 2所示:1)多种带酰胺辅助基团的取代苯1,可以和邻二甲苯2a发生电化学偶联,得到对应联苯产物4-21,且取代苯1上的基团会部分影响反应的选择性;2)多种取代苯2,也可以和N-乙酰基四氢喹啉1a发生电化学偶联,得到对应联苯产物22-46;3)在加入三氟乙酸作为共溶剂后,带吸电子基团的缺电子苯2也兼容该反应,这也是该方法和施章杰组报道方法的重要不同之处。三氟乙酸可能起着加速反应速率的作用;4)Tamibarotene酯能通过该方法进行后期官能团化,得到联苯衍生物47-49。啶酰菌胺(Boscalid)的前体50也能通过该方法高效合成。

(Scheme 2,来源:J. Am. Chem. Soc.)

机理研究(Figures 2-5):

最后,作者开展反应机理研究。在Figure 2中,作者开展了动力学研究,包括:1)Figure 2a-2g的时间变量归一化分析(Variable Time Normalization Analysis, VTNA)研究显示,反应对钯催化剂是二级反应、对底物1a是负一级反应、对底物2a是一级反应,因此反应决速步中可能存在两个有机钯络合物。SI中的初始速率分析(initial rate analyses)研究也支持VTNA的研究结果;2)Figure 2h-2j的初始速率分析研究显示,反应对Cu(OTf)2、2,6-二甲基吡啶和电流都是零级反应;3)Figure 2k、2l的H/D交换实验显示,底物12都能发生钯催化C-H活化,且两个底物都能发生可逆金属化;4)Figure 2m、2n的动力学效应(KIE)研究显示,反应对底物1a是二级动力学效应或无动力学效应,对底物2a则是一级动力学效应,这证明1a容易发生C-H键裂解,2a发生C-H裂解较慢。总之,Figure 2的实验证实反应中两个底物会分别通过C-H活化生成两个钯络合物,然后发生转金属化

(Figure 2,来源:J. Am. Chem. Soc.)

为了证实两个钯络合物能发生协同芳基迁移,有必要验证决速步中基态催化剂和活性催化剂的关系,为此作者开展了Figure 3所示验证实验。相关实验包括:1)通过分析HRMS数据,得出单钯络合物51、络合物52和二聚钯络合物53是可能中间体(Figure 3a);2)通过实验合成已知二聚钯络合物5455,并由55和乙腈反应得出单钯络合物56(Figure 3b、3c);3)552a能发生反应得到偶联产物8,因此55可能是活性催化剂前体(Figure 3d)。Figure 3e的原位核磁实验发现预催化剂55存在诱导期,进一步验证了这一猜测;4)Figure 3f的异位GC检测实验发现,55562a的反应具有相似反应速率,考虑到56被强配体乙腈稳定,因此单钯络合物可能是动力学方面更有利的活性催化剂,这一结论可被SI中DFT理论计算进一步证实;5)循环伏安法研究显示55在室温下很稳定(Figure 3g),且双钯络合物54能够在偶联反应条件下转化成络合物58Figure 3h)。因此,作者认为53是预催化剂,52是基态催化剂,51是活性催化剂

(Figure 3,来源:J. Am. Chem. Soc.)

为了验证Cu(OTf)2和2,6-二甲基吡啶在反应中所起的作用,作者开展了如Figure 4所示实验。Figure 4a显示在2,6-二甲基吡啶存在下,Cu2+的氧化能力会降低,Figure 4b的循环伏安图进一步验证了这一个观点。Figure 4c的循环伏安图则证实Pd(OAc)2和Cu(OTf)2混合会形成异类金属相互作用。因此,作者认为铜盐在反应中起到稳定Pd(0)的作用,而不是作为氧化剂

(Figure 4,来源:J. Am. Chem. Soc.)

结合Figures 2-4的机理研究实验,作者提出如Figure 5所示可行性反应机理:芳烃1a2a同时发生C−H活化,分别得到络合物5159;活性催化剂51经预催化剂53和基态催化剂52转化得到;5159发生分子间转金属化生成络合物60,然后经还原消除生成偶联产物3并再生Pd(0);Pd(0)被Cu络合物稳定,再通过阳极氧化形成活性Pd(II),完成催化循环。

(Figure 5,来源:J. Am. Chem. Soc.)

总结:

总之,Lutz Ackermann课题组报道了一种联芳烃化合物的钯催化电化学合成新方法,并通过细致的机理研究揭示了一种Pd-Pd双金属化反应机理。

微信号:chembeango101

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