酮和醛是有机合成中广泛而重要的起始原料, 其中的羰基官能团和α-氢的活性使它们可以实现大量常见反应转化. 例如结构中的羰基可以参与格氏反应和Wittig反应等, 羰基α-氢的酸性使其可以发生Aldol反应、Michael加成反应和α位C—H芳基化反应等(Scheme 1, a)^[1]. 第二类常用的转化是将醛或酮的羰基转化为相应的烯醇三氟甲磺酸酯作为烯基亲电体参与交叉偶联反应获得不同取代的烯烃(Scheme 1, b)^[2]. 由醛或者酮脱水缩合获得N-甲苯腙, 则是另一类常用而独特的转化, 例如Shapiro反应和Bamford-Stevens反应均是由N-甲苯腙转化为相应的烯烃化合物(Scheme 1, c)^[3-4]. 除了这些经典的反应外, 在过去十来年间, 过渡金属催化的N-甲苯腙参与的交叉偶联反应发展十分迅速, 这类新型转化途径通过原位生成重氮中间体, 采用过渡金属形成金属卡宾并实现卡宾迁移插入获得偶联转化构建C—C键.

图式1   酮(醛)的常用转化

王剑波小组^[5]近10来年在金属卡宾的多样性转化研究中取得了系统性的突破和独特的贡献. 最近, 他们^[6]对过渡金属催化的N-甲苯腙参与的交叉偶联反应进行了全面总结和展望, 以期获得在有机合成中酮醛应用的新潜力. 该展望根据卡宾迁移插入之后形成活性中间体所参与的不同反应, 将N-甲苯腙参与的偶联反应分为四部分介绍, 分别包括: (1)酮醛作为烯基偶联组分构建C—C单键用于烯烃合成, (2)酮醛羰基位的烯烃化用于构建烯烃、二烯、烯酮和烯酮亚胺, (3)酮醛作为烷基偶联组分形成C—C单键来构建相应的烷基化产物, (4)酮醛作为两亲分子, 在羰基位点形成两种C—C单键(Scheme 2).

图式2  N-甲苯腙参与的C—C键构建

酮醛作为烯基偶联组分构建C—C单键用于烯烃的合成: 当N-甲苯腙α-位有活泼氢时, 形成的卡宾中间体迁移插入之后发生β-氢消除, 生成烯烃化合物. 利用该反应可以将N-甲苯腙与芳基、烯基、炔基、酰基和烷基等组分偶联, 用于构建多样性的烯烃衍生物.其中最常用偶联组分是芳(烷)卤化物, 反应过程通常是N-甲苯腙在碱作用下缓慢形成重氮中间体, 该重氮中间体与钯催化剂形成钯卡宾物种, 接着发生卡宾插入迁移之后的β-氢消除得到相应的烯烃产物. 与N-甲苯腙偶联的组分除了卤化物之外, 硼酸、联烯、炔烃、烯丙基和炔丙基化合物均可与其偶联, 通过C＝C双键的形成来构建烯烃类化合物.值得一提的是, 一氧化碳参与的插羰反应也适用于该策略来构建酰基化的烯烃化合物.

酮醛的羰基位点烯烃化: 基于N-甲苯腙的酮醛羰基位点的烯烃化反应可以通过形成C＝C构建烯烃、二烯、烯酮和烯酮亚胺. 当与烷基卤化物偶联时, 可以得到多取代的烯烃化合物; 当与烯丙基卤化物、烯基卤化物或者环丙基卤化物偶联时, 可以合成共轭二烯类化合物; 当N-甲苯腙与金属催化剂形成的金属卡宾在一氧化碳氛围下发生羰基化或者与异氰发生卡宾的迁移插入, 可以生成烯酮化合物或者烯酮亚胺化合物; 而与端炔偶联时, 则构建1,3-二取代的联烯化合物.

酮醛作为烷基偶联组分: 烷基酮醛还可以作为烷基偶联组分参与到卡宾偶联, 通过形成C—C单键来构建相应的烷基化产物. 该类反应通常发生在N-甲苯腙与端炔、端烯的偶联之间. 但是在还原偶联条件下, N-甲苯腙还可以与芳基卤化物实现该类反应, 此时需要匹配还原剂将N-甲苯腙还原为烷基亲核试剂, 最终与其它亲电组分实现偶联(Scheme 3).

图式3  酮醛作为烷基偶联组分

酮醛作为两亲分子, 在羰基位点形成两种C—C单键: 最后, 基于N-甲苯腙的卡宾偶联在其羰基位点可以非常有效地构建两种新的C—C键. 该类反应第一个C—C键通常在卡宾迁移插入步骤中生成, 并形成活性金属-碳键. 金属-碳键与分子内或分子间偶联组分的后续反应再构建第二个C—C键, 第二个C—C键的形成通常包括Sonogashira偶联、烯丙基取代、Heck反应和羰基的1,2-加成四种反应类型(Scheme 4).

图式4  N-甲苯腙用于构建两种C—C键

通过王剑波和夏莹团队展望文章中的总结归纳, 可以让读者全面而系统地获得基于N-甲苯腙的卡宾参与的四大类反应转化, 有望启发进一步解决酮醛作为烷基偶联组分的不对称反应或作为两亲分子在羰基位点形成两个C—C单键来构建四级碳等目前还未解决的难题.

北京大学化学与分子工程学院王剑波教授

该文发表在Chin.J.Org.Chem.2020,40(10):3473-3474. 

DOI:10.6023/cjoc202000065,