可见光驱使铜盐催化芳香烃二氟烷基化反应

戴建玲 雷文龙 刘强

引用本文: 戴建玲, 雷文龙, 刘强. 可见光驱使铜盐催化芳香烃二氟烷基化反应[J]. 化学学报, 2019, 77(9): 911-915. doi: 10.6023/A19050181 shu
Citation:  Dai Jianling, Lei Wenlong, Liu Qiang. Visible-Light-Driven Difluoroalkylation of Aromatics Catalyzed by Copper[J]. Acta Chimica Sinica, 2019, 77(9): 911-915. doi: 10.6023/A19050181 shu

可见光驱使铜盐催化芳香烃二氟烷基化反应

    通讯作者: 刘强, E-mail: liuqiang@lzu.edu.cn
  • 基金项目:

    项目受国家自然科学基金(Nos.21572090 and 21871123)和兰州大学中央高校基础研究基金(lzujbky-2017-k05)资助

摘要: 以CuI为铜源,通过原位形成光催化剂的途径,实现了室温下可见光驱使铜催化溴二氟乙酸乙酯、溴二氟酰胺等对芳烃及杂芳烃的二氟烷基化反应.该反应条件温和、原料廉价易得、底物适用范围广、产率较高,为合成二氟烷基(杂)芳烃化合物提供了一种方法.机理研究表明,该反应可能经历了单电子转移的自由基反应历程.

English

  • 含氟类化合物具有很好的亲脂性、代谢稳定性和生物利用度[1], 在农药、医药和生命科学等领域中有非常重要的应用价值[2].据相关报道, 超过20%的药物和30%的农用化学品至少含有一个氟源[3], 畅销的氟化药物包括抗抑郁药氟西汀(Prozac)[4]、降胆固醇药阿托伐他汀(Lipitor)[5]和抗菌环丙沙星(Ciprobay)[6].在众多含氟有机化合物中, 含二氟烷基取代的芳烃化合物受到了越来越多的关注[7].二氟亚甲基通常被认为是氧和羰基的等极体[8], 引入二氟亚甲基能够增强其邻位基团的酸性、改变分子的偶极以及产生构象的变化[9].早在上个世纪, 黄维垣等[10]实现了全氟卤代烷烃在保险粉参与下的亚磺化脱卤反应.近年来, 过渡金属钯[11]、钌[12]、铜[13]等催化(杂)芳香烃二氟烷基化反应研究取得了重要进展, 官能团化的二氟烷基化试剂BrCF2CO2Et、BrCF2C(O)NHR等被广泛用于实现各种芳烃和杂芳烃的二氟烷基化反应.通常, 这类反应需要较高的反应温度克服C—H活化的能垒.随着可见光催化的蓬勃发展[14], 室温下通过可见光照射实现(杂)芳香烃C—H键二氟烷基化反应成为可能. Qing[15a, 15b]、Wang[15c]、Cho[15d]、Stephenson[15e]课题组等先后报道了可见光催化条件下(杂)芳烃二氟烷基化.我们课题组[15f, 15g]也实现了BrCF2C(O)NHR和BrCF2PO(OR)2等对(杂)芳烃的分子间及分子内二氟烷基化反应.然而, 这些反应均使用贵金属钌(Ⅱ)或铱(Ⅲ)配合物为光催化剂.因此, 发展廉价金属催化且室温条件下可高效发生的(杂)芳烃二氟烷基化方法十分必要.

    和钌(Ⅱ)或铱(Ⅲ)配合物相比, 铜盐配合物作为光催化的研究非常有限[16].其中, 二邻菲咯啉铜(Ⅰ)配合物[Cu(dap)2]Cl(dap=2, 9-bis(4-anisyl)-1, 10-phenanthroline)[17]和邻菲咯啉双膦铜(Ⅰ)配合物[18]为常见的铜(Ⅰ)配合物光催化剂.和[Cu(dap)2]Cl相比, 邻菲咯啉双膦铜(Ⅰ)配合物激发态寿命更长, 且易于通过膦配体和氮配体取代基的双重调控实现期望的激发态性能[18c, 18d, 18h].近年来Collins[19]、Fu和Peters[20]和Wang[21]小组的研究表明, 廉价的亚铜盐可在邻菲咯啉及双膦配体存在下原位生成邻菲咯啉双膦铜(Ⅰ)光催化剂, 实现一系列有趣的可见光催化反应.因此, 廉价亚铜盐通过邻菲咯啉及双膦配体的筛选, 有可能原位生成具备合适光氧化还原(photo-redox)能力的邻菲咯啉双膦铜(Ⅰ)光催化剂, 从而催化可见光照射下(杂)芳烃的二氟烷基化反应.

    首先研究了均三甲氧基苯和溴二氟乙酸乙酯在不同条件下的二氟烷基化反应.均三甲氧基苯与溴二氟乙酸乙酯在含有CuI (10 mol%)、2, 9-二甲基菲咯啉(10 mol%)、4, 5-双(二苯基膦)-9, 9-二甲基氧杂蒽(10 mol%)的二氯甲烷(2 mL)溶液中, 以磷酸钾(2.0 equiv.)作为碱, 氩气环境中室温下光照(6W LED蓝灯为光源)24 h后, 目标产物3a的收率为87% (表 1, Entry 1).接下来我们考察了不同的铜源, 如Cu(CH3CN)4PF6、Cu(OAc)2等, 但产率并未得到提升(表 1, Entries 4, 5).随后对K2CO3、KOAc等不同的碱进行筛选, 结果表明K3PO4是合适的碱.将溶剂CH2Cl2用CH3OH、DMF和CH3CN等替代后, 产物3a的产率均明显降低(表 1, Entries 8~10), 因此CH2Cl2是反应的理想溶剂.在确定反应最佳亚铜盐、碱和溶剂后, 我们进一步筛选了反应配体(表 1, Entries 12~15), 发现当氮配体为2, 9-二氯-1, 10-菲咯啉(dcp)、双膦配体为4, 5-双(二苯基膦)-9, 9-二甲基氧杂蒽(xantphos), 产率提升到95%.此外, 我们还尝试了降低催化剂、配体以及碱的用量(表 1, Entries 17, 18), 发现当CuI、dcp和xantphos的量降低到5 mol%时, 仍有88%产率的二氟烷基化均三甲氧基苯3a生成.最后, 控制实验证明反应必须在绝氧和可见光照射下方可发生.

    表 1

    表 1  亚铜盐催化溴二氟乙酸乙酯对均三甲氧基苯的二氟烷基化反应条件优化
    Table 1.  Optimization of conditions for copper catalyzed difluoromethylation of trimethoxybenzene with BrCF2CO2Et
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    Entry Changes from the "standard conditions" Yielda
    1 No changes 87
    2 Without CuI, K3PO4, or L5 0
    3 Without L1 40
    4 Cu(OAc)2 instead of CuI 0
    5 Cu(MeCN)4PF6 instead of CuI 85
    6 KOAc instead of K3PO4 77
    7 K2CO3 instead of K3PO4 86
    8 CH3CN instead of DCM 61
    9 CH3OH instead of DCM 21
    10 DMF instead of DCM 40
    11 2.0 equiv. 1a 80
    12 L2 instead of L1 95
    13 L3 instead of L1 0
    14 L4 instead of L1 0
    15 L6 instead of L5 0
    16 [Cu(dcp)(xantphos)]Ⅰ (10 mol%) 92
    17 CuI (5 mol%), L2 (5 mol%) and L5 (5 mol%) 88
    18 1.0 equiv. K3PO4 30
    19 under air (open flask) 0
    20 dark 0
    a Yields were determined by 1H NMR. dmp=neocuproine, dcp=2, 9-dichloro-1, 10-phenanthroline, bc=bathocuproin, bpy=2, 2'-bipyridine, xantphos=4, 5-bis(diphenylphosphino)-9, 9-dimethylxanthene, PPh3=triphen- ylphosphane.

    在优化反应条件下, 我们研究了该可见光催化二氟烷基化反应底物的适用性和官能团的兼容性.如表 2所示, 大量芳烃化合物能与溴二高, 位点选择性与预期的自由基对芳基取代途径一致.例如, 当含有不同取代基的芳烃存在时(3h, 3j~3l), 相应官能团化的二氟甲基化产物为异构体的混合物.且由于二氟烷基自由基具有一定的亲电性, 电子云密度较大的芳香烃位点更易于发生二氟烷基化反应(3i, 3a~3g).进一步地, 探究了最优反应条件对杂芳烃的二氟烷基化(表 3).结果表明吡啶、吲哚、嘧啶、呋喃、噻吩等芳杂环对该反应体系均兼容, 并取得良好到优秀的产率(58%~95%).接下来, 研究了N, N-二甲基苯胺和溴二氟酰胺的反应(表 4, 6a~6c), 结果表明该反应体系可以以38%~70%的产率实现不同溴二氟酰胺对N, N-二甲基苯胺的二氟烷基化.最后, 又进一步尝试了分子内的酰胺化反应, 得到较高的产率(68%~70%).

    表 2

    表 2  碘化亚铜催化溴二氟乙酸乙酯对芳烃的二氟烷基化反应a
    Table 2.  Difluoromethylation of aromatics with BrCF2CO2Et catalyzed by cuprous iodide
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    表 3

    表 3  碘化亚铜催化溴二氟乙酸乙酯对杂芳烃的二氟烷基化反应a
    Table 3.  Difluoromethylation of hetero aromatics with BrCF2CO2Et catalyzed by cuprous iodide
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    表 4

    表 4  碘化亚铜催化溴二氟乙酰胺的分子间及分子内反应a
    Table 4.  Intermolecular and intramolecular reaction of bromodifluoroacetamide catalyzed by cuprous iodide
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    为了进一步理解催化剂碘化亚铜及配体在该可见光催化体系中的角色, 进行了一系列控制实验.首先, 在光反应中, 若缺少菲咯啉配体dcp或双膦配体xantphos, 反应均不能很好地进行(表 1, Entries 2, 3), 说明亚铜盐是和菲咯啉配体及双膦配体三组分原位形成配合物并充当光催化剂.随后, 使用事先制备好的[Cu(dcp)(xantphos)]Ⅰ(10 mol%)替代碘化亚铜、菲咯啉配体dcp和双膦配体xantphos, 得到了与最优反应条件相似催化效果(表 1, Entry 16).并且, 原位生成的亚铜催化剂(CuI/dcp/xantphos=1:1:1)的吸收光谱与[Cu(dcp)(xantphos)]Ⅰ的吸收光谱一致(图 1).因此, 该二氟甲基化应该是由碘化亚铜、菲咯啉配体及双膦配体原位生成配合物[Cu(dcp)(xantphos)]作为光催化剂, 进而被可见光激发驱动的.

    图 1

    图 1.  UV-vis吸收光谱
    Figure 1.  UV-vis absorption spectra of substrates

    在最优反应条件下, 当在该反应中加入过量的氮氧自由基2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-1-氧化物(TEMPO)或自由基清除剂2, 6-二叔丁基羟基甲苯(BHT)后, 均三甲基苯没有产物3c生成.结合表 2中芳烃二氟烷基化反应可生成苯环不同位置二氟烷基化异构体的事实, 可推测反应应该通过生成二氟烷基自由基进行.综合以上实验结果, 提出了反应的可能机理:首先, 碘化亚铜和菲咯啉配体及双膦配体原位形成邻菲咯啉双膦铜(Ⅰ)配合物[CuLn].该配合物经可见光照射被激发, 并和氟化试剂BrCF2CO2Et发生氧化淬灭产生[CuLn]和二氟烷基自由基•CF2CO2Et.该自由基加成到芳环上产生活性物种1A, 由于芳构化的驱动力和强吸电子基团二氟乙酸乙酯的诱导作用, 该活性物质1Aα-H具有一定的酸性[22], 使得1A在K3PO4作用下能有效地脱质子生成1B, 1B经[CuLn]氧化生成目标产物(图 2).

    图 2

    图 2.  研究机理的控制实验以及可能的机理
    Figure 2.  Control experiment of mechanism studies and possible mechanism

    本文通过廉价亚铜盐和配体原位生成光催化剂的策略, 实现了可见光驱使(杂)芳香烃和二氟烷基化试剂(BrCF2CO2Et, BrCF2C(O)NHR)的分子间及分子内二氟烷基化反应.该反应条件温和、原料廉价易得、底物适用范围广, 具有潜在的应用价值.

    可见光催化下的芳烃二氟烷基化反应的实验方法:向10 mL干燥的硬质玻璃管中依次加入CuI (0.02 mmol)、dcp (0.02 mmol)、xantphos (0.02 mmol)、BrCF2CO2Et (0.2 mmol)、K3PO4 (2.0 equiv.)和底物1a (0.6 mmol).随后, 将玻璃管中的空气用氩气置换, 并在氩气氛围下加入2.0 mL二氯甲烷.在玻璃管密封后, 将其放在6 W蓝光LED灯光反应中, 室温搅拌并照射24 h.等反应结束, 减压浓缩反应液后, 用200~300目的硅胶、石油醚/乙酸乙酯洗脱剂柱层析分离纯化产物.目标产物3a的产率为95%.

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    22. [22]

      Zhang, B.; Daniliuc, C. G.; Studer, A. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 10792 doi: 10.1002/anie.201306082

  • 图 1  UV-vis吸收光谱

    Figure 1  UV-vis absorption spectra of substrates

    图 2  研究机理的控制实验以及可能的机理

    Figure 2  Control experiment of mechanism studies and possible mechanism

    表 1  亚铜盐催化溴二氟乙酸乙酯对均三甲氧基苯的二氟烷基化反应条件优化

    Table 1.  Optimization of conditions for copper catalyzed difluoromethylation of trimethoxybenzene with BrCF2CO2Et

    Entry Changes from the "standard conditions" Yielda
    1 No changes 87
    2 Without CuI, K3PO4, or L5 0
    3 Without L1 40
    4 Cu(OAc)2 instead of CuI 0
    5 Cu(MeCN)4PF6 instead of CuI 85
    6 KOAc instead of K3PO4 77
    7 K2CO3 instead of K3PO4 86
    8 CH3CN instead of DCM 61
    9 CH3OH instead of DCM 21
    10 DMF instead of DCM 40
    11 2.0 equiv. 1a 80
    12 L2 instead of L1 95
    13 L3 instead of L1 0
    14 L4 instead of L1 0
    15 L6 instead of L5 0
    16 [Cu(dcp)(xantphos)]Ⅰ (10 mol%) 92
    17 CuI (5 mol%), L2 (5 mol%) and L5 (5 mol%) 88
    18 1.0 equiv. K3PO4 30
    19 under air (open flask) 0
    20 dark 0
    a Yields were determined by 1H NMR. dmp=neocuproine, dcp=2, 9-dichloro-1, 10-phenanthroline, bc=bathocuproin, bpy=2, 2'-bipyridine, xantphos=4, 5-bis(diphenylphosphino)-9, 9-dimethylxanthene, PPh3=triphen- ylphosphane.
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    表 2  碘化亚铜催化溴二氟乙酸乙酯对芳烃的二氟烷基化反应a

    Table 2.  Difluoromethylation of aromatics with BrCF2CO2Et catalyzed by cuprous iodide

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    表 3  碘化亚铜催化溴二氟乙酸乙酯对杂芳烃的二氟烷基化反应a

    Table 3.  Difluoromethylation of hetero aromatics with BrCF2CO2Et catalyzed by cuprous iodide

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    表 4  碘化亚铜催化溴二氟乙酰胺的分子间及分子内反应a

    Table 4.  Intermolecular and intramolecular reaction of bromodifluoroacetamide catalyzed by cuprous iodide

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  • 发布日期:  2019-09-15
  • 收稿日期:  2019-05-15
  • 网络出版日期:  2019-09-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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