钴催化的动力学控制的区域选择性烯烃异构化反应

烯烃的异构化反应是有机合成中一类非常重要的反应过程。该方法既可用于高效制备其他方法难以直接合成的内烯烃产物,又可通过碳碳双键这一高反应活性官能团在底物上的迁移过程最终实现底物分子中初始碳碳双键远端位置的官能团化反应。如图1a所示,所有的烯烃异构化反应都是热力学驱动的反应转化。尽管目前已经发展了众多高效的催化体系可用于烯烃的异构化反应,但是选择性控制仍然是此类反应的难点所在。热力学控制的反应选择性调控相对容易,例如烯丙基醇的异构化反应(图1b),只要双键在碳链上的迁移过程是迅速而且可逆的,那么反应的主要产物必然是热力学上更稳定的醛类化合物。而实际合成工作中,异构化反应的目标产物不一定是热力学最稳定的烯烃异构体,这类反应的选择性调控是更加困难的。例如,在1-烯烃至2-烯烃的选择性转化(图1c)反应中,双键可能继续发生迁移生成能量相近的其它烯烃异构体。要想控制反应的2-位选择性,催化剂必须能够区分1-烯烃和2-烯烃在反应活性上的差别使得反应活化能ΔG≠1<ΔG≠2,目前可高效地实现该选择性调控的催化剂鲜有报道。最近,我系刘强课题组和焦雷课题组合作发展了一类钴催化的动力学控制的选择性烯烃异构化反应。在此工作中,作者系统研究了1,1-双取代烯烃的异构化反应(图1d),当反应底物中有两个可能的反应位点a,b时,碳碳双键能够高选择性地迁移至位阻较小的a端。要有效调控这类反应的选择性,就要求所使用的催化剂不仅具有高的反应活性,还能够非常精准地识别底物上R 基团所引起的微小位阻效应差别,使得反应活化能ΔG≠2<ΔG≠1,ΔG≠3,无疑是更加具有挑战性的。

 

 

图一.几类典型的烯烃异构化反应势能面

 

作者所发展的一类钳形钴催化体系,可以应用于环状以及链状1,1-双取代烯烃的异构化反应【图二,eq.(1)】,还可以实现1a至2a的高效、高选择性异构化反应【图二,eq.(2)】,这是焦雷课题组最初设计的天然产物Minfiensine全合成工作中的关键步骤,而传统的酸促进的1a异构化反应则主要生成双键迁移至另一侧的产物3a(2a:3a=1:2.3)。此外,作者在端烯γ位引入取代基团R,可以有效地控制1-烯烃向2-烯烃的选择性转化【图二,eq.(3)】。

 

图二.钴催化的区域选择性的烯烃异构化反应

 

在实验研究基础上,作者提出了金属氢迁移插入/β-氢消除的反应机制(图三),其中β-氢消除步骤决定了异构化反应的区域选择性。结合DFT计算,作者对于β-氢消除过程两种可能的过渡态结构(TS2a及TS2b)进行分析。在TS2b中,配位的吡啶基团和底物分子的间位取代基团R存在排斥作用,而这种相互作用在优势过渡态TS2a中是不存在的,从而解释了配体效应如何实现了反应的区域选择性调控。

 

图三.烯烃异构化反应机理

 

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上(Xufang Liu, Wei Zhang, Yujie Wang, Ze-Xin Zhang, Lei Jiao* and Qiang Liu*J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01815),论文第一作者为我系16级博士研究生刘旭芳同学。