NHC/Ni(II)催化的亚甲基环丙烷与多种类型烯烃的[3+2]环化反应

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[NHC-Ni(allyl)]BArF催化首次观察到具有典型氢烷基化反应活性的甲基环丙烷(1)和未活化烯烃(2)环化反应 (NHC = N-heterocyclic carbene)。结果表明,1C-C裂解不涉及Ni0氧化加成,这在以前的体系中是至关重要的。因此,本文所报道的方法是实现甲基环戊烷3)具有广泛范围的高度化合性和区域选择性合成论文的一种补充。有效NHC/NiII催化1的重排导致在2存在下3汇聚合成。

亚甲基环丙烷(1MCP)是有机合成中的一个重要组成部分,近年来新的过渡金属催化剂在其活化方面取得了重大进展 (Scheme 1)。除了使用传统的方法,如光活化和热重排,一些专门的MCPs,催化剂如 P/Pd0 和Ni0(AN)2(AN = Acrylonitrile),在1(近端或远端位置)的氧化开环反应中特别有效,从而与烯烃(2)形成有效的C-C键。这一策略是获得功能化环戊烷的最重要途径之一 (3; Scheme 1 a)。然而,只有电子贫乏或小烯烃是分子间反应的有效伙伴。未活化或体积较大的烯烃即使在高温下使用较长的反应时间也往往失效,这已被认为是实现更高选择性和产品结构多样性的关键障碍。插入金属氢化物或其等价物代表另一种常见的MCP激活策略 (Scheme 1 b)。中间体,如环丙基甲基-Ni/PdII,经常进行β碳消除或其他合作伙伴的插入,为构建氢功能化产品提供了一条通用路线。最近,[NHC-Ni(allyl)]BArF (NHC = N-heterocyclic carbene)被认为是一种通过环丙烷和烯烃的交叉氢烷基化催化剂,它涉及环丙烷开环。因此,我们对用于MCP激活的[NHC-Ni(allyl)]BArF感兴趣。

在此,首先使用[NHC-Ni(allyl)]BArF催化剂实现了12环化反应(Scheme 1 d)。它提供了一种新的、高效的合成高价值和功能化的亚甲基环戊烷3的途径。与几种高度竞争的交叉氢烷基化反应形成鲜明对比。使用Pd0或Ni0之前没有被证明的1和2的几种组合(Scheme1a)现在是兼容的并且在环境条件下反应。并发症,如不希望消耗12的非选择性的同质反应/低聚,如许多相关的氢化物系统,和/或快速异构化被抑制。它避免了竞争的MCP开环[2+2][3+3],或将MCP插入Ni0,以及在使用AuI时重排成环丁烯等问题,所有这些都与其他的MCP反应有关。值得注意的是,对照实验表明,3的形成不是NHC加速Ni0氧化加成1的结果,这一观察结果与用NHC代替P所假定的反应活性明显不同。他们的结果表明,NHC/NiII催化1的有效重排,从而达到了无可比拟的反应性、新的范围、高选择性和效率。
作者的研究从一个简单的MCP1a和末端烯烃2a开始,使用[NHC-Ni(allyl)]BArF催化剂报道的环异构化和氢烷基化(Table 1, entry 2)。令惊讶的是,没有观察到假定的交叉氢烷基化或β-碳消除产物,但首次观察到一种新的[3+2]产物(3aa)。筛选NHCs表明NHCs在这种催化作用中起着重要的作用,使用空间体积大的NHC对所需的反应性至关重要(Figure 1; Table 1,entries 1–9, 12–13)。然而,NHC空间效应对高化学-(3aa/4aa)和区域选择性(没有其他区域异构体的核磁共振波谱)的影响尚不清楚。在那些结构多样化提供了所需的反应性的NHCs中,没有发现明显的趋势。首先,假设3的形成是典型的MCP激活Ni0的结果,无论是从Ni0残基还是在催化剂合成过程中意外的原位NiII还原。然而,使用Ni0的对照实验表明,在温和的反应条件下,不能形成3aa (entry 14)。此外,尽管对结构优化的NHCL9进行了鉴定,但在相同的反应条件下,相应的Ni0/L9即使在80下也没有期望的反应活性 (entries 9, 15, and 16)。在没有NHC配体或BArF作为阴离子的情况下,观察到1a2a的低或非选择性转化(entries 10 and 13)。此外,L9/NiCl2的表现甚至优于L9/Ni00 (entry 17)。值得注意的是,这里没有观察到3’aa(Scheme 1d)。这是在环丙烷(CP)环和丙烯酸酯上存在不平衡的MCPs的相关Ni0体系中注意到的主要异构体(Table 2)。总之,从Ni0获得的上述结果表明,3aa在这里的形成不太可能是NHC辅助Ni0氧化加成MCP的结果 (Scheme 1a)。最后,应该指出,阴离子对反应活性有显著的影响(Table 1, entries 9 and 10; BArF vs.Cl)。

新的底物范围和的和无与伦比的反应性进一步支持了典型的Ni0催化3的选择性合成(Table 2)他们的催化在低催化剂负载和环境条件下有效地进行。杂原子取代末端烯烃(X = 醚、胺和烷基卤化物; Table 2; Set 1),分支部分 (Y= 烷基和杂原子取代的三元无环/环,四元无环,和β-分支; Set 3),以及非常简单的烷基(R = 线性烷基、苄基和同苄基; Set 4),现在作为相容的底物,而不仅仅是乙烯,以及其他体系中通常需要的缺乏电子和活化的烯烃(Z=ester[Set 4; c.f. 3via Ni(AN)2],在这里值得注意的是,第一次成功地使用乙烯基-TMS和乙烯基Bpin作为2,因为它们是有用的后改性处理,以制造其他甲基环戊烷。稳健的反应条件鼓励作者他们探索更大的底物(2)和不同的取代1(Table 2; Set 5-8),值得高兴的是,以前没有建立的几种替代模式现在被广泛接受,提供了一种新的直接途径来访问更复杂的结构。底物如gem-olefins被确定为MCPs的新合作伙伴,导致产品具有季碳中心和螺旋结构(4 aa; Set5)。事实上,主要是当使用不匹配的2时,次要产品通常被确定为4aa。这一结果表明,我们反应的高化学选择性(3/4)是基于底物对的选择和低的1/2比,通过Table 1中 Sets 1-4Set5entries 9和 11的结果可以看出。
这里报道的微调催化剂反应性也与具有其他取代基的1兼容,而且,它也很好地适用于一系列对称和不对称的内部烯烃 (Table 2; Sets 6-8)。新大陆的发现是十分有作用的(as low as 2 mol% cat., 1/2 = 1:1)直接提供具有高外选择性的熔融环结构。MCP取代基的选择可以是混合芳烃,也可以是脂肪烃,具有较大的R1和R2基的MCPs具有较高的反应性 (e.g. Ar> iPr> Me),大概是因为一个更有效的开环辅助增加的空间排斥组间。具有电子不同取代基 [p-X(C6H4), X = H, OMe, F]的底物(1)的可比较产率在一定程度上支持了上述假设(Sets 1 and 7, 75-85%),在某些情况下,3的产率较低,这是由于相对于homo-MCP4)形成的反应性较低。然而,它们的产物区域选择性仍然很高 (大部分情况中> 50:1 )。催化作用也是化学选择性的 (Set 9)。具有端基而不是gem-olefin的底物2是合成1的首选反应物。令人惊讶的是,含有内部炔的底物在这一反应中保持完整,尽管它在典型的M-H插入反应中具有反应性,因此,与我们以前的系统的反应性形成鲜明对比。最后,使用带有熔融环的MCP产生了环膨胀重排,代表了一种轻松组装复杂的熔融环结构的方法。

作者测试了1a和1a的合成 (Scheme 2b)。希望能提供见解以及合成的替代品。事实上,它按预期进行[vs.Ni0],表明1a1a共享一个公共中间体。一个较慢的反应被注意到1a,这是一致的空间关注在这些交换在Ni0氧化加成。用二烷基取代的1的合成有时是困难的,然而Scheme 2c中反应的成功提供了一种很好的选择来合成二烷基结构。典型的臭氧溶解给我们环戊酮的产率很好(Scheme 2d)

在此阶段,由于NHC/Ni0被验证为他们所需反应的非活性物种,因此快速合成具有高化学和区域选择性和广泛范围的3的关键是主要NHC/NiII的研究(Scheme 2)。确切的机制仍在研究中,但考虑了烯丙基交换途径,因为没有观察到12的交叉氢烷基,并且由于3不能从插入1β碳消除获得。因为i)在 [L-NiII-(allyl)]BArF上烯丙基的交换可以在室温下进行,ii)已知MCP重新排列并赋予烯丙基两性物种(热条件下的二氧基MCP)。这里可能的途径之一可能与L9/NiII催化的Int.-A的形成有关(Scheme 2a)。它可能是由开始时与催化剂的烯丙基-烯丙基交换形成的,也可能是插入2后的烷基-烯丙基交换形成的。

总之,利用NHC改变NiII催化剂对1的反应活性,建立了1(或1)和2给3的高效环化。观察到高效环化对氢烷基化反应活性,并归因于有效和选择性重排1,而不是烯烃插入时,使用[L9/NiII(allyl)]BArF。NHC/NiII体系与典型的Ni0/Pd0体系在范围和反应性方面具有很高的互补性。第一次,简单的未活化烯烃,而不是电子贫乏的不饱和羰基底物,是取代1的良好伙伴,即使在环境条件下也是如此。此外,NHC/NiII催化剂获得了较高的3~3比,而Ni0催化剂通常相反。总的来说,在这里发现的1和1的温和激活途径为在以前的Ni0条件下实现较高的化疗和区域选择性提供了新的基础。
最后,本报告提供了一种简单的方法来制造有用的环戊烷,以及来自简单烯烃的螺旋和熔融环系统,这些环系统很难直接从简单的化学原料中获得,并且具有如此广泛的衬底范围。

 

Angew. Chem. Int. Ed.201958, 5702-5706, DOI: 10.1002/anie.201901255


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