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馮小明和董順喜團隊：新型氮雜環(huán)亞胺稀土烷基配合物催化吡啶與烯烴的C?H烷基化反應

來源：化學加網      2023-05-12
導讀：四川大學馮小明院士和董順喜教授團隊設計合成了一類新型氮雜環(huán)亞胺稀土烷基配合物，成功實現了烷基吡啶對烯烴的直接C?H加成反應。在此基礎上發(fā)展了一系列手性氮雜環(huán)亞胺配體及其稀土配合物，并將其用于2,6-二烷基吡啶與脂肪族烯烴的不對稱C(sp3)?H烷基化反應，得到不錯的收率和中等的對映選擇性。這一研究展現了氮雜環(huán)亞胺稀土配合物在C?H官能化反應中的潛力。相關成果近期在線發(fā)表于Science China Chemistry。

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圖1. 氮雜環(huán)亞胺配體及其金屬配合物的性質

由于稀土離子的獨特性質，稀土有機配合物催化的C?H官能化反應在機理、活性和選擇性等方面與過渡金屬催化存在顯著差異。得益于陽離子型稀土烷基配合物的合成與發(fā)展，近年來稀土催化的C?H官能化取得了一系列重要進展，侯召民等人在這一領域開展了深入系統(tǒng)的研究。輔助配體是稀土有機配合物催化C?H官能化反應的核心和關鍵，目前主要依賴于環(huán)戊二烯類配體。鑒于配體對配合物穩(wěn)定性和活性的重要影響，尋找新型輔助配體并研究其稀土配合物穩(wěn)定性和催化性能具有重要意義，有望實現新的有機轉化。


受侯召民和Tamm等人工作的啟發(fā)，作者認為氮雜環(huán)亞胺（NHI）負離子有望成為一種新型類Cp配體，用于C?H官能化反應。如圖1所示，由于氮原子強的供電能力和雜環(huán)有效的電荷分散能力，NHI負離子可以作為2σ,4π-型配體穩(wěn)定稀土離子。


本工作中，四川大學馮小明院士和董順喜教授團隊合成并表征了一系列NHI/稀土烷基配合物，發(fā)現其能高效催化吡啶和烯烴的直接C?H烷基化反應（圖2）。


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圖2. 氮雜環(huán)亞胺稀土配合物在吡啶C?H烷基化中的應用
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圖3. 氮雜環(huán)亞胺稀土二烷基配合物的合成及其成鍵模式
如圖3所示，作者首先制備了非手性的NHI/稀土二烷基配合物。在此基礎上，合成了新型手性NHI 3及其稀土配合物，并通過X-射線單晶衍射表征了配合物結構。配合物中短的Sc–N鍵（1.975?）和幾乎線性的Sc–N–C鍵角（178.09°）表明Sc–N間具有強相互作用以及配合物具有部分金屬-2-氮雜-聯烯的性質。理論計算顯示Sc–N的Wiberg鍵級（WBO）為0.75，介于0.66（Sc–Nanilide）和1.32（Sc–Nimido）之間。定域化分子軌道分析證明了Sc-3中N與Sc間形成了一個?鍵和兩個?鍵，即NHI負離子配體可以用作2?,4?-型配體。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收獲。
鑒于吡啶衍生物的重要用途，作者首先考察了該類配合物在苯乙烯B1與2-苯基吡啶A1鄰位C(sp2)?H烷基化中的應用。通過一系列條件考察發(fā)現稀土離子種類、NHI和堿性配體顯著影響反應活性。反應的最優(yōu)條件為：在Sc-1 (5 mol%)和[Ph3C][B(C6F5)4] (5 mol%)存在下，甲苯作溶劑，0.2 mmol 2-苯基吡啶A1和2當量苯乙烯B1在120 ?C下反應6小時，能以90%的收率得到直鏈產物C1（表1，編號1）。
表1.反應條件優(yōu)化a)
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在此條件下，對底物普適性進行了考察。不同取代的吡啶和烯烴均可以很好地發(fā)生C?H烷基化反應，得到相應的吡啶衍生物C1?C25。值得提及的是，受烯烴電子效應和反應中間體穩(wěn)定性的影響，芳香族烯烴和三甲基硅基取代的烯烴得到直鏈產物，而脂肪族烯烴得到支鏈產物（圖4）。
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圖4. 2-取代吡啶和烯烴C(sp2)?H烷基化反應底物范圍a)
作者進一步考察了這類新催化劑在烷基吡啶芐位C(sp3)?H活化中的應用。經條件優(yōu)化，發(fā)現Sc-1能高效催化烷基吡啶與脂肪族烯烴的烷基化反應；而Y-1能高效催化烷基吡啶與芳香族烯烴的烷基化反應（圖5）。該方法還可用于生物活性分子的后期修飾，雌二醇衍生的烯烴能以36%的收率轉化為相應的產物E18。
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圖5. 2,6-二烷基吡啶與烯烴C(sp3)?H烷基化反應底物范圍a)
接下來，作者探究了手性氮雜環(huán)亞胺配體及其稀土烷基配合物在不對稱合成中的應用，結果如表2所示。經過配體考察發(fā)現，當用苊醌衍生的手性配體NHI 4在35 oC下反應6天，能得到不錯的收率和中等的對映選擇性（編號5，84%收率，84:16 er）。
表2.烷基吡啶與烯丙基苯的不對稱芐基C(sp3)?H烷基化反應a)
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隨后，作者使用手性氮雜環(huán)亞胺NHI 4考察了幾種吡啶和烯烴底物，能以較好的收率和中等對映選擇性獲得手性烷基化產物。
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圖6.烷基吡啶不對稱芐基C(sp3)?H烷基化底物范圍a)
分子內和分子間競爭實驗以及平行KIE實驗均未發(fā)現同位素效應，表明吡啶C?H鍵活化可能不是反應的決速步驟。密度泛函理論（DFT）計算顯示烯丙基苯的遷移插入是反應的決速步驟和對映選擇性決定步驟（圖7），烯烴底物和NHI 3配體的苯基之間CH···?相互作用在烯烴雙鍵的面選擇性識別中起到了重要作用（圖8）。
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圖7. 反應進程及能量分布
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圖8. 過渡態(tài)TS2-S和TS2-R弱相互作用分析

總結

綜上所述，作者設計合成了一類新型氮雜環(huán)亞胺稀土烷基配合物，成功實現了烷基吡啶對烯烴的直接C?H加成反應。在此基礎上發(fā)展了一系列手性氮雜環(huán)亞胺配體及其稀土配合物，并將其用于2,6-二烷基吡啶與脂肪族烯烴的不對稱C(sp3)?H烷基化反應，得到不錯的收率和中等的對映選擇性。這一研究展現了氮雜環(huán)亞胺稀土配合物在C?H官能化反應中的潛力。相關成果近期在線發(fā)表于Science China Chemistry。李大偉博士為文章第一作者，董順喜教授為通訊作者。感謝四川大學寧利超博士在理論計算方面的貢獻。

文獻詳情：

Dawei Li, Lichao Ning, Qiliang Luo, Shiyu Wang, Xiaoming Feng, Shunxi Dong*. C?H alkylation of pyridines with olefins catalyzed by imidazolin-2-iminato-ligated rare-earth alkyl complexes, Sci. China Chem.2023, DOI: 10.1007/s11426-023-1588-8.


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