

Citation: Kong Lichun, Zhou Yulu, Luo Fang, Zhu Gangguo. Recent Advances on Oxidative Radical Addition to Aldehydes[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2018, 38(11): 2858-2865. doi: 10.6023/cjoc201805061

醛基为受体的氧化自由基加成反应研究进展
English
Recent Advances on Oxidative Radical Addition to Aldehydes
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Key words:
- aldehyde
- / radical addition
- / ketone
- / 1, 2-hydrogen atom transfer
- / single electron transfer
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随着自由基产生方式和方法的不断创新, 自由基反应吸引了化学工作者的广泛兴趣, 自由基加成反应成了构建碳-碳或碳-杂原子键的有效手段.自由基加成反应往往由自由基給体和自由基受体两部分组成.为发展新型自由基加成反应, 进一步拓展自由基給体和自由基受体的范围具有重要意义.碳自由基对碳-碳双键的加成是不可逆的, 所以, 烯烃是最常见的自由基加成反应受体之一(图 1), 近年来, 各种烯烃的自由基加成反应相继被报道, 引起了合成化学家的广泛关注[1].自由基对碳-氮双键的加成也有了较多的研究[2].相对而言, 碳自由基对羰基的加成最为困难, 因为加成得到的烷氧自由基很容易通过碳-碳键β-断裂反应生成羰基和更为稳定的碳自由基(Scheme 1a)[3], 所以, 这一加成反应是可逆的, 而且平衡大大偏向于碳-碳键β-断裂方向.事实上, Houk等[3a]研究了二级烷氧自由基的碳-碳β-断裂反应, 发现它室温就能进行(活化能<19 kcal/mol), 而且是放热反应, 因此, 碳自由基对醛基的加成是热力学不利的.
图 1
图式 1
为了实现碳自由基对醛基的加成, 化学家发展了一种还原自由基加成反应的策略[4]:即采用还原试剂, 例如三丁基锡氢、硅烷或硼烷捕获现场生成的烷氧基自由基, 利用还原反应的能量促进平衡向右进行(Scheme 1).例如, Tsang等[5]发展了三丁基锡氢促进的吡喃糖苷衍生的烯基醛的自由基加成/环化串联反应(Scheme 1).尽管分子内的还原自由基加成反应相对容易实现, 分子间的还原自由基加成反应依然面临挑战. 2012年, 以n-Bu4NBH3CN为还原剂, 卤代物为碳自由基源, Ryu等[6]首次实现了活性较高的多聚甲醛的分子间还原自由基加成反应(Scheme 1). 2017年, Glorius等[7]采用可见光氧化还原启动的空穴催化结合布朗斯特酸活化的策略, 实现了碳自由基对复杂羰基化合物的还原加成, 制备了高度官能团化的二级或三级醇(Scheme 1).通过现场生成吡啶-硼自由基的策略, 黎书华等[8]巧妙地发展了吡啶自由基对羰基化合物的1, 2-加成反应, 为复杂醇类化合物的合成提供了新途径(Scheme 1).
虽然醛的还原自由基加成反应已经有了相对较多的报道, 但是, 醛基为受体的氧化自由基加成反应, 即碳自由基对醛基加成再脱去质子生成酮的反应, 并未被实现.主要原因在于碳自由基对醛基的加成是热力学不利的, 其得到的烷氧基自由基I更容易发生碳-碳键β-断裂重新生成醛和更稳定的碳自由基.其次, 碳-氢键β-断裂相比碳-碳键β-断裂具有更高的反应活化能[3a], 也不利于该反应的实现.
对此, 我们设想采用过渡金属催化剂作为单电子还原剂, 与卤代物等自由基前体发生单电子转移(SET)生成碳自由基, 接着对醛基加成产生烷氧基自由基I, 然后, 通过一个形式上的1, 2-氢迁移反应(1, 2-HAT)[9]得到α-羟基碳自由基II, 最后, 再次SET、脱质子得到酮(Scheme 2).需要指出的是, 在该催化循环中, 第一次SET产生的高价金属物种Mn+1可用作第二次SET的反应物, 实现了催化剂的再生, 这样就可能发展催化的醛基为受体的氧化自由基加成反应, 而且, 它能够避免外加氧化剂的使用, 使反应体系更加环境友好.根据这一研究思路, 我们课题组发展了过渡金属催化的醛基为受体的氧化自由基加成反应, 包括分子内和分子间反应两大类型.本综述将对这一系列工作进行讨论.
图式 2
1. 分子内的醛基为受体的氧化自由基加成反应
1.1 炔基醛为受体的氧化自由基加成反应
1.1.1 烯炔醛为受体的氧化自由基加成反应
为了有利于碳自由基对醛基的加成, 我们首先进行了自由基加成启动的分子内醛基为受体的氧化自由基加成反应研究.以Cu(OAc)2为催化剂, 偶氮二甲酸二乙酯(DEAD)为还原剂, 五甲基二乙烯三胺(PMDETA)为配体, 我们实现了烯炔醛1与烯基或炔基取代α-溴代羰基化合物2的串联环化反应(Eq. 1).[10]该反应可以一步构建具有环己酮结构单元的多环酮化合物, 能够形成多达六根新的化学键及四个碳环(3j, 3k), 具有高度的原子和步骤经济性, 产率中等到优秀, 官能团兼容性良好.
(1) 以化合物1a和2a为例, 反应机理如下:首先, DEAD还原Cu(OAc)2现场生成Cu(I), 接着, Cu(I)与化合物2发生SET形成Cu(II)和碳自由基A.之后, A对末端炔烃加成得到烯基碳自由基B.然后, 分子内烯烃加成产生烷基碳自由基C, C再对分子内的醛基加成得到烷氧自由基D, 随后经历一个形式上的1, 2-HAT反应产生α-羟基碳自由基E.最后, SET产生碳正离子中间体F, 同时实现Cu(I)催化剂的再生.在碱的协助下, F脱质子得到多环酮化合物3a (Scheme 3).
图式 3
1.1.2 炔丙酰基芳醛基为受体的氧化自由基加成反应
在上述工作基础上, 我们将反应从末端炔底物拓展到了内炔取代的芳香醛.以廉价的CuBr为催化剂, Togni试剂5为自由基源, 实现了炔丙酰基芳醛的三氟甲基化/环化串联反应(Eq. 2)[11].该反应能够一步实现2-三氟甲基萘醌的合成, 反应条件温和, 操作简单, 相比传统的2-三氟甲基萘醌多步合成法, 具有更好的原子和步骤经济性.值得指出的是, 化合物4中的酮羰基对反应的顺利进行起着关键作用, 它既可以活化炔烃的碳-碳叁键, 又能够控制区域选择性使其α-位发生三氟甲基化, 从而有利于后续反应的发生.
(2) 鉴于单氟烷基和二氟烷基化合物良好的应用前景[12], 我们进行了炔丙酰基芳醛的其他氟烷基化/环化串联反应研究.以Cu2O为催化剂, 5, 5'-二甲基-2, 2'-联吡啶为配体, 氟烷基溴代物7为自由基源, 实现了炔丙酰基芳醛的单氟或二氟甲基化/环化串联反应(Eq. 3)[13].反应可以一步合成单氟或二氟甲基取代的萘醌, 进一步拓宽了所发展方法的适用范围.萘醌和氟烷基化合物往往具有良好的生物活性, 我们所发展的方法可以在目标分子中同时引入萘醌和氟烷基两种结构单元, 对于寻找新的生物活性分子具有积极意义.
(3) 1.2 烯基醛为受体的氧化自由基加成反应
1.2.1 2-乙烯基苯甲醛为受体的氧化自由基加成反应
与炔烃相比, 烯烃的自由基加成反应得到了更多的关注, 我们也开展了烯基醛为受体的氧化自由基加成反应研究.采用CuBr2作催化剂, DEAD为还原剂, K2CO3做碱, PMDETA为配体, 2-乙烯基苯甲醛和α-溴代-β-烯基羰基化合物可以顺利转化成3, 4-环戊基四氢萘酮(Eq. 4)[14].反应室温进行, 各种取代基例如卤素、烷氧基、羟基、杂环、酯基和酰胺等都能很好地兼容.
(4) 该反应具有优异的立体选择性, 得到了单一立体异构体的产物.反应机理与上述反应基本相同(Scheme 4), 不同之处在于该反应经历的中间体H可能采取类椅式过渡态的构象, 大基团处于平伏键位置, 导致cis-3, 4-环戊基的生成, 之后, 环戊基与2-位苯环的立体位阻使得苯环和环戊烷骨架处于反式, 最终造成产物优异的立体选择性.该反应是较为少见的高度立体选择性的自由基反应之一.
图式 4
1.2.2 烯基醛为受体的氧化自由基加成反应
众所周知, 茚酮衍生物具有良好的生物活性(Figure 2).例如, 多萘哌齐是第二代特异的可逆性中枢乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制剂, 是一种治疗阿尔茨海默病的上市药物.因此, 茚酮的合成具有重要意义.对此, 我们希望通过烯基醛为受体的氧化自由基加成反应, 探索茚酮衍生物的高效、广谱的合成方法.
图 2
采用溴代丙二酸二乙酯13为碳自由基源, Ru- (bpy)3Cl2为光催化剂, 吡啶为碱, LiBF4为促进剂, 15 W的蓝色LED灯为光源, 邻烯丙基苯甲醛及其类似物12可以在室温下顺利转化为1-茚酮及其类似物14 (Scheme 5)[15].除1-茚酮外, 其它环状酮, 例如环戊烯酮、萘满酮和色满酮等都可以顺利合成, 产率中等到优秀.机理研究表明, 该反应可能经历一个氧化淬灭的光催化反应循环:首先, 激发态的光催化剂Ru(II)*与LiBr活化的13a发生单电子转移, 产生碳自由基M和Ru(III)物种.接着, M对烯烃加成产生烷基自由基N, 然后, 分子内醛基加成、再经过类似的1, 2-HAT过程生成α-羟基碳自由基O.最后, O被Ru(III)氧化、脱质子得到产物14a, 同时再生Ru(II)催化剂.
图式 5
之后, 我们进行了三氟甲基取代茚酮的合成研究.采用Togni试剂5为三氟甲基自由基源, Cu(MeCN)4PF6为催化剂, 实现了一个烯基醛的三氟甲基化/环化串联反应, 一步合成了各种三氟乙基取代的茚酮(Eq. 5)[16].需要指出的是, 该反应具有优异的立体选择性, 高选择性地得到tran-2, 3-二取代茚酮, 为含有茚酮结构单元的生物活性分子合成提供了简单、高效的途径.对照实验表明, K2CO3的加入有助于反应立体选择性的提高.该反应对电子效应比较敏感, 苯甲醛对位连有强给电子基则不能得到预期产物(15d).研究发现, 偕二甲基效应有助于反应产率的提高(15j~15l).
(5) 为进一步增加产物的结构多样性, 我们对其它自由基源参与的反应进行了研究.采用二芳基碘鎓盐16作为碳自由基前体, Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6为光催化剂, 白光为光源, 化合物10为原料, 一步实现了2-苄基茚酮、2-苄基-3, 4-二氢-1-萘酮和2-苄基-2, 3-二氢-喹啉-4-酮等化合物的合成(Eq. 6)[17].反应室温进行, 产率中等到优秀, 底物适用范围广, 与上一反应不同的是, 该反应不需碱的加入, 仍然具有优秀的立体选择性, 使得该反应条件更加温和, 官能团兼容性更加理想.
(6) 除了我们课题组的工作外, 其他课题组也对醛基为受体的氧化自由基加成反应进行了研究. 2017年, 吴磊课题组[18]以AgNO3为催化剂, (NH4)2S2O8为氧化剂, 芳香醛18为原料, 芳基酮酸19为自由基源, 一步实现了二氢黄酮的合成(Eq. 7), 文中提出了一个与我们上述工作一致的反应机理.该反应具有操作简单、底物适用范围广等优点.
(7) 2. 分子间的醛基为受体的氧化自由基加成反应
上述反应是通过自由基对炔烃或烯烃加成现场生成一个碳自由基, 再对分子内醛基进行加成, 从而实现醛基为受体的氧化自由基加成, 反应产物都是环状酮.如能实现碳自由基对分子间醛基的氧化自由基加成, 将可能实现开链酮的制备, 从而进一步丰富醛基为受体的氧化自由基加成反应方法学.
经过大量研究, 采用环丁醇或环丙醇21为碳自由基前体[19], AgNO3为催化剂, Na2S2O8为氧化剂, 可以顺利实现芳香醛22的分子间氧化自由基加成, 一步合成非对称的1, 4-或1, 5-二酮化合物23 (Eq. 8)[20], 各种官能团例如烷氧基、卤素、乙酰基、酯基和杂环等都能很好地兼容.研究发现, 水的加入对该反应的进行起着关键作用, 以干燥的DMSO为反应溶剂, 23a的产率仅有12%, 而以1:1的DMSO和H2O混合溶剂为反应溶剂, 产率提高到了85%.此外, 电子效应对芳香醛的反应活性具有重要影响, 强给电子基的引入会减弱醛基的活性, 从而不利反应的进行(23l).
(8) 以化合物21a和22a为例, 反应可能的机理如Scheme 6所示.首先, 环丁醇21a被氧化并失去质子得到环丁基氧自由基Q, 接着, 四元环开环、对芳香醛22a分子间加成产生新的烷氧自由基S, 然后, 通过一个水协助的1, 2-HAT转化为α-羟基碳自由基V.最后, 经过分步的电子转移(ET)/质子转移(PT)或协同的质子偶合电子转移(PCET)过程生成1, 5-二酮23a, 同时再生Ag(I)催化剂.
图式 6
为进一步理解该反应的机理, 我们进行了DFT计算研究(M06/6-311+G(d, p) level), 得出了如下结论: (1)对于环丁醇氧化产生环丁基氧自由基的过程, 以两价银作为氧化剂(Scheme 6, path 1A)[19b]反应放热13.0 kcal/mol, 而以硫酸根阴离子自由基作为氧化剂(Scheme 6, path 1B)[19e]反应放热6.4 kcal/mol, 说明两价银作为氧化剂是更可行的. (2)对于1, 2-HAT反应, 分子内的1, 2- HAT过渡态能垒为21.1 kcal/mol, 而水协助的1, 2-HAT过渡态能垒为16.0 kcal/mol, 说明后者是更可行的过程, 这与水对反应效率的影响是一致的.需要指出的是, 尽管碳自由基R对醛22a的加成是热力学不利的(吸热10.0 kcal/mol), 其后续的水协助的1, 2-HAT反应是一个放热的过程(放热29.9 kcal/mol), 显然, 1, 2-HAT反应为原本热力学不利的碳自由基对醛基加成反应提供了驱动力, 使得该加成反应能够得以发生.这一结果说明, 除了传统的还原烷氧自由基的策略外, 1, 2-HAT反应将成为一个新的促进碳自由基对醛基加成反应策略, 从而为发展新型醛基作为自由基受体的反应提供了思路.
3. 结论与展望
综上所述, 醛基为受体的氧化自由基加成反应近年来取得了较快发展, 已经成为一种新的原子和步骤经济的酮合成方法, 大多数情况下, 反应不需要外加氧化剂, 是一种环境友好的酮合成方法.在这个方法基础上, 各种不同官能团化的环状酮及部分开链酮被顺利合成, 相信未来在复杂分子合成方面会有良好的应用前景.尽管如此, 这方面的工作也存在一些不足:分子间的醛基为受体的氧化自由基加成反应依然面临挑战, 脂肪醛为受体的氧化自由基加成反应还没有实现, 相信随着有机化学特别是自由基化学的进一步发展, 这方面的研究也会取得更大的进展.
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