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  四氢化萘结构单元是许多具有生物活性的天然产物及药物分子中常见的骨架之一,许多肾上腺激素、抗生素以及中国紫杉中的异紫杉脂素、去氧鬼臼素葡萄糖酯苷等化合物中都含有四氢化萘的基本结构. 这类化合物具有许多特殊的生物活性和药理活性,如抗抑郁、消炎止痛、抗帕金森和抗癌等^[1～11]. 相应的合成研究也因此受到化学家们的广泛关注,过渡金属催化氧(氮)杂二环烯烃的不对称开环反应是一种合成此类手性药物中间体的方法,可以通过一步开环反应构建两个手性中心化合物^[12](Eq. 1).

  在手性过渡金属配合物催化下,氧(氮)杂二环烯烃与亲核试剂(NuH)发生开环反应,可以得到一种高对映立体选择性和区域选择性,并且具有两个手性中心的二氢化萘骨架单元的开环产物. 该产物具有四种不同的构型,分别为1,2-(R,R),1,2-(S,S),1,2-(R,S),1,2-(S,R). 由于氧(氮)杂二环烯烃的开环反应具有催化剂用量少、产率高和对映选择性高等特点. 化学家们对此产生了浓厚的兴趣^{[13, 14]},并取得了很好的研究结果. 在不同的过渡金属,如Pt,Pd,Ni,Rh,Ir等催化开环反应中,碳负离子型试剂是最常用的亲核试剂,主要包括有机锌、有机铝、有机锂、有机硼酸试剂、格利雅试剂、炔烃试剂等^[15～17]. 国内也有一些关于过渡金属不对称催化氧(氮)杂二环烯烃开环反应的研究报道,如2013年Fan等^[18]报道了钯催化芳基乙炔对氧(氮)杂苯并降冰片烯开环反应. 我们课题组分别在2006年^[19]和2012^[20]年报道了过渡金属催化氧(氮)杂二环烯烃不对称开环反应的研究进展,在此基础上,重点综述了近年来过渡金属催化氧(氮)杂二环烯烃与不同的碳负离子型亲核试剂不对称开环反应,并结合我们课题组的研究工作,对氧(氮)杂二环烯烃开环反应的研究进展进行了归纳和总结,并对部分开环反应的可能机理进行了讨论.

  1    有机锌试剂

  有机锌试剂作为开环反应的亲核试剂,具有易制备、价格便宜等特点. 其中二烷基锌(R₂Zn)是最常用有机锌试剂,这类试剂活泼性较低,但在不对称开环反应中,由于手性配体的影响,R₂Zn分子易发生极化,产生烷基碳负离子,亲核活性大大提高,使反应具有很好的对映立体选择性,因此这类试剂是不对称催化加成反应中比较常用的亲核试剂.

  2005年,Imamoto等^[21]报道了一种手性双膦配体4,该配体中喹喔啉的结构能有效降低磷原子上的电子云密度,从而使其在空气中很稳定. 他们利用配体4和Pd络合形成的络合物催化氧杂二环烯烃1与有机锌试剂2的开环反应,获得的目标产物3的主要立体构型为1,2-syn,产率为88%,ee值达97.6% (Eq. 2).

  2005年,Carretero等^[22]报道了一种P/S配体与Pd络合形成的新型高效催化剂6. 该催化剂在空气中很稳定,将它应用于氧杂二环烯烃1与有机锌试剂2的开环反应(Eq. 3). 此反应催化剂用量很少,仅为0.5 mol%,获得相应的目标产物5主要立体构型为1,2-syn,产率高达91%,ee值高达97%. 同时,他们还将它应用到氮杂二环烯烃7与有机锌试剂2的开环反应中(Eq. 4),与氧杂二环烯烃的开环反应相比较,此反应催化剂的用量大,目标产物8的产率为79%,ee值高达99.9%.

  2007年,Hou等^[23]报道了Pd与手性配体络合形成环钯催化剂12催化氧杂二环烯烃9和溴化芳基亚甲基锌试剂10的开环反应,取得了很好的结果(Eq. 5). 研究表明: 此反应用量较少,仅为0.05 mol%,当反应温度为80 ℃时,目标产物11的主要立体构型为1,2-syn,产率高达91%.

  2007年,Imamoto等^[24]首次发现手性双膦配体14具有手性诱导好、立体选择性高等特点,他们将Pd与手性双膦配体14络合形成了一种新型高效催化剂,并将它应用于氧杂二环烯烃1与有机锌试剂2的开环反应中(Eq. 6). 目标产物13的主要立体构型为1,2-syn,产率达94%,ee值高达99.8%. 这比以前报道过的手性膦配体的选择性都要高,是研究中的一项新突破(表 1).

  表1 R¹和R²对Pd催化氧杂二环烯烃和有机锌试剂的开环反应的影响 Table1. Effect of R¹ and R² groups on the palladium-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic akenes with organozinc reagents

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  R1	R2	Time/h	Yield/%	ee/%
  H	Me	1.5	92	95.8
  H	Me	1.5	90	96.3
  H	Me	2	93	99.9
  H	Me	2	94	99.8
  H	Et	6	90	99.9
  MeOCH2O	Me	4	92	94.0
  H	Et	6	89	99.2

  表1 R¹和R²对Pd催化氧杂二环烯烃和有机锌试剂的开环反应的影响
  Table1. Effect of R¹ and R² groups on the palladium-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic akenes with organozinc reagents

  2011年,Endo和Shibata等^[25]尝试用多核钯与配体16络合形成的络合物催化氧杂二环烯烃1与二甲基锌2的开环反应(Eq. 7). 配体16是由(R)-BINOL通过三步反应合成的,合成成本低,产率较高. 他们对配体16进行分析后发现,配体16中3,3'-二苯基双磷和2,2'-二羟基官能团对反应的立体选择性控制有很大的贡献. 在进行反应条件优化后,发现在5 mol% Pd(OAc)₂与5 mol%配体16络合形成的配合物催化下,相应开环反应的目标产物15的产率高达98%,其主要立体构型为1,2-syn,ee值高达99%.

  除了上述直接使用有机锌试剂以外,锌粉和卤代烃反应也可以形成有机锌试剂用作亲核试剂再进行开环反应,近年来一直被化学家们广泛研究. 2006年,Martin等^[26]以Pd(OAc)₂为催化剂,卤代烷烃或卤代烯烃17,在锌粉的存在下,成功实现了氧(氮)杂二环烯烃的开环反应(Eqs. 8,9). 研究发现: 带有吸电子基的卤代烃形成的有机锌试剂对开环反应比较有利,目标产物18和20的产率分别为97%和96%. 值得注意的是,温度过高易发生消除反应,产生开环反应的副产物取代萘,导致主要目标产物的产率降低.

  2013年,Xu和Zhu等^[27]首次报道了Pd(MeCN)₂Cl₂与手性螺环单膦配体24形成的络合物催化氮杂二环烯烃21与2-碘苯甲酸酯22作用,在锌粉存在下,发生开环反应形成内酰胺(Eq. 10). 目标产物23的立体构型均为1,2-syn,产率达88%,ee值为82%.

  2015年,Cheng等^[28]报道了镍催化氧杂二环烯烃1与卤代烃17在锌粉存在下发生开环反应(Eq. 11),研究发现,卤代烷烃和卤代芳烃的结构对目标产物18的产率和反应的立体选择性都有很大的影响,当亲核试剂为CH₃(CH₂)₇ZnI时,产率较高. 目标产物18的主要立体构型为1,2-syn.

  2    末端炔烃作亲核试剂

  2008年,Tenaglia等^[29]以富电子结构的CpRuI- (PPh₃)₂催化氮杂二环烯烃25与炔烃26的开环反应(Eq. 12),获得相应的开环产物27和环加成产物28. 研究表明: 两种产物的比例受炔烃结构影响较大,当炔烃为对称炔烃时,大部分反应得到的是开环产物27,产率高达98%; 当炔烃为不对称炔烃且R²为极性较大的基团(如CO₂Me)时,则得到单一的开环产物27,但是如果取代基R¹为苯基时,反应只能得到[2＋2]环加成产物28.

  2011年,Tenaglia等^[30]又以[CpRuCl(PPh₃)]作催化剂,成功实现了氧杂二环烯烃1与炔烃26的开环反应(Eq. 13). 研究发现: 当亲核试剂R³或R⁴为CH₂OR时,反应得到开环产物29,反之得到[2＋2]环加成产物30,当炔烃试剂26中R³和R⁴连有CH₂OH时,目标产物29的产率高达94%,而环加成产物30的产率只有6%(表 2).

  表2 钌催化氧杂二环烯烃和不同炔烃试剂的开环反应 Table2. Ru-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with various alkynes reagents

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  Compd. 26	R3	R4	T/℃	Time/h	Yield/%
  26a	CH2OAc	CH2OAc	60	24	49
  26b	CH2OMe	CH2OMe	60	24	60
  26c	CH2OMOM	CH2OMOM	60	24	63
  26d	CH2OTBDMS	CH2OTBDMS	60	62	30
  26e	CH2OCO2Me	CH2OCO2Me	60	14	81
  26f	CH2OH	CH2OH	60	24	94
  26g	Me	CH2OH	90	2.5	30
  26h	Bu	CH2OH	60	48	57
  26i	Et	Et	90	60	18

  表2 钌催化氧杂二环烯烃和不同炔烃试剂的开环反应
  Table2. Ru-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with various alkynes reagents

  2013年,Fan和Wang等^[31]报道了Pd/Cu共催化氮杂二环烯烃31与末端炔烃32的开环反应(Eq. 14). 研究表明: 芳基末端炔烃或烷基末端炔烃都能取得很好的反应结果,并且末端炔烃上取代基的电子效应对反应的影响不大,目标产物33的主要立体构型为1,2-syn,产率高达98%,ee值高于99.9%.

  他们还提出了该反应的可能机理(Scheme 1): 首先,Pd(OAc)₂与手性配体(R)-xyl-Binap络合形成络合物A,苯乙炔先与亚铜盐反应得到苯乙炔铜B,B与A通过金属相转移作用得到中间体C,C再与底物31与亚铜形成的D作用得到中间体E. 随后苯乙炔进攻碳碳双键形成中间体F,β-C—N键断裂杂原子消去后,形成中间体G,最后经过简单的阳离子交换得到最终的开环产物33.

  

  图 图式 1 氮杂二环烯烃与末端炔烃反应的可能机理

  Figure 图式 1. Plausible mechanism for azabicyclic alkenes with terminal alkynes

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  2013年,Hou等^[32]报道了钯与配体36～39配位形成的环钯催化体系催化氧杂二环烯烃1与末端炔烃32的开环反应(Eq. 15). 研究发现: 配体中含有sp²杂化的C—Pd键时,反应主要得到加成产物35,配体中含有sp³杂化的C—Pd键时,主要得到开环产物34和加成产物35.

  2014年,Fan和Wang等^[33]报道了Pd/Ag共催化氧杂二环烯烃1与末端炔烃40的开环反应(Eq. 16). 研究表明: 末端芳基炔带有吸电子基团时,目标产物41的产率和ee值都很高(表 3). 目标产物41的主要立体构型为1,2-syn,产率为94%,ee值高达99%.

  表3 钯催化氧杂二环烯烃和不同末端炔烃试剂的开环反应 Table3. Pd-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with various terminal alkynes reagents

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  Compd. 1	R	Time/h	Yield/%	ee/%
  1a	Ph	7	75	98
  1b	4-MeOC6H4	3	66	90
  1c	3-MeOC6H4	75	72	98
  1d	3,5-Me2C6H3	103	54	96
  1e	4-FC6H4	9	68	98
  1f	4-CF3OC6H4	5	87	99
  1g	4-NCC6H4	22	95	96
  1h	4-CF3-C6H4	4	94	99
  1i	Si(Me)3	19	74	97
  1g	PhCH2CH2	72	—	—

  表3 钯催化氧杂二环烯烃和不同末端炔烃试剂的开环反应
  Table3. Pd-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with various terminal alkynes reagents

  2014年,Cheng等^[34]报道了NⅡ₂,Zn和水组成的催化体系催化氧(氮)杂二环烯烃43与炔烃26的开环反应(Eq. 17),研究发现: 溶剂对反应有很大的影响,CH₃CN为溶剂时,反应才有活性. 有趣的是,反应体系中没有水存在时,主要得到[2＋2]环加成产物,目标产物44的主要立体构型为1,2-syn,产率达97%. 2015年,在以上研究的基础上,Fan等^[35]对Lewis酸AgOTf对氧杂二环烯烃与炔烃的开环反应进一步讨论,所得的结果与2014年报道的相同^[34].

  2015年,Fan等^[36]报道了Pd/Ag共催化氧杂二环烯烃1和取代苯乙炔32的开环反应(Eq. 18). 他们尝试了不同的底物1和带有不同取代基的苯乙炔32的开环反应,其相应的开环产物立即发生萘醇脱水,形成取代萘45或46. 目标产物产率均很高,达96%.

  3    有机硼酸作为亲核试剂

  由于有机硼酸具有对水和空气不敏感^[37],价格便宜、使用操作方便等优点,因此它是理想的碳负离子型亲核试剂,近年来也被化学家们广泛关注. 2008年,Hou等^[38]报道了Pd与手性膦配体络合形成络合物49,该环钯催化剂催化氧杂二环烯烃1与芳基硼酸47的开环反应(Eq. 19). 该配体49具有在空气中稳定,催化效率高等特点. 研究表明: 芳基硼酸47和底物1苯环上取代基的电子效应对反应的影响都不大,目标产物48的主要立体构型为1,2-syn,产率高达99%,获得中等程度ee值,为79%.

  2009年,Tam等^[39]报道了以[RhCl(COD)]₂与配体(±)-BINAP络合形成的催化剂催化氧-氮杂二环烯烃50与芳基硼酸47的开环反应(Eq. 20). 目标产物51和52 的trans:cis比例为50:50至100:0. 但目标产物的产率并不高,在39%至69%之间.

  2011年,Hou等^[40]报道了Pd催化氧杂二环烯烃1与烯基硼酸53的开环反应. 研究表明: Pd与手性配体形成的络合物中含有P—Pd键时催化剂的催化活性较高.非质子性溶剂对反应更有利,目标产物54的主要立体构型为1,2-syn,产率达93%,ee值为81% (Eq. 21).

  2012年,Lautens等^[41]报道了使用Rh/Pd两种过渡金属与手性配体57配位组成的催化体系,催化氧杂二环烯烃1与2-卤代芳基硼酸酯试剂55的开环反应,然后钯催化C—O键偶合,不需要分离中间体,一锅法合成取代苯并二氢呋喃56,具有很高的产率和对映选择性,ee值高达96% (Eq. 22).

  2013年,我们课题组^[42]首次进行了以Pt(COD)Cl₂与手性双膦配体59络合形成的铂催化剂,催化氧杂二环烯烃1与有机硼酸47的开环反应. 研究发现: 带有吸电子取代基的芳基硼酸作为亲核试剂,获得较高产率的开环产物58和中等程度以上的对映选择性. 带有推电子取代基芳香硼酸表现出较低产率,较高立体选择性. 经过单晶X衍射分析测定,目标产物58主要立体构型为1,2-syn,产率高达97%,ee值为89% (Eq. 23). 为了探讨不同过渡金属催化开环反应,我们课题组还尝试了Ni与手性双膦配体60络合形成的催化剂催化该类型开环反应^[43]. 研究表明: 镍催化不对称开环反应也表现出高产率和高对映选择性,值得一提的是,底物1和芳基硼酸47上取代基的电子效应对开环反应基本无影响,目标产物58的产率高达99%,ee值高达99% (Eq. 24).

  我们研究小组还提出了该反应的可能机理(Scheme 2): 首先配体(S,S)-Me-DuPhos (60)与Ni(COD)₂前体中的1,5-环己二烯(1,5-cyclohexdiene; 简称COD)进行交换得到活性镍催化剂A,随后氧杂苯并降冰片烯1a与镍催化剂A作用得到(π-烯丙基)镍(Ⅱ)络合物B. 然后芳基硼酸[ArB(OH)₂]与KOH作用而活化的硼酸,通过过渡金属Ni作用得到(π-烯丙基)镍(Ⅱ)中间体C,随后Ar-亲核进攻,双键迁移,脱硼水解,最终得到目标开环产物58.

  

  图图式 2 Ni(0)催化氧杂二环烯烃与芳基硼酸反应的可能机理

  Figure 图式 2. Plausible mechanism for Ni(0)-catalyzed ARO of oxabicyclic alkenes with arylboronic acids

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  2015年,Tam等^[44]探究了[Rh(COD)Cl]₂催化氧杂二环烯烃61与芳基硼酸47反应. 优化得到最佳反应条件后,他们主要对桥头碳上有取代基的氧杂二环烯烃的区域选择性进行了探究. 研究发现: 带有给电子基团的芳基硼酸要比带有缺电子基团的芳基硼酸的区域选择性要好,目标产物62的主要立体构型为1,2-syn外消旋,产率高达99% (Eq. 25).

  4    格利雅试剂

  2005年,Carretero等^[45]报道了铜催化氮杂二环烯烃63与格利雅试剂64的开环反应(Eq. 26). 研究表明: N上保护基(2-吡啶磺酰基)对开环反应影响极大,当N上取代基为2-吡啶磺酰基时,反应结果最好. 他们还探讨了带有不同R基的格利雅试剂对开环反应的影响,当64为芳基格利雅试剂时,获得的1,2-anti开环产物65的产率为98%,对映立体选择性则更好,ee值高达98%.

  2006年,Carretero等^[46]将格利雅试剂64应用于铜催化氧杂二环烯烃1的开环反应(Eq. 27). 研究发现: 在CuCl/PPh₃催化下,反应的立体选择性最好,并且没有副反应发生,目标产物66的主要立体构型为1,2-anti,产率达92%,ee值为98%.

  在以前对手性配体研究的基础上^[47],2008年,Zhou等^[48]报道了Cu(OTf)₂与S/P配体68络合形成的新型高效催化剂,催化氧杂二环烯烃1与格利雅试剂64的开环反应(Eq. 28). 研究发现: 该催化剂手性诱导好,立体选择性高,产率高. 当手性螺环单膦配体68中R基上带有t-Bu或CF₃基团时,降低了反应活性和立体选择性. 目标产物67 的主要立体构型为1,2-trans,产率为94%,ee值为93%.

  Zhou等还提出了氧杂二环烯烃1与格利雅试剂64的开环反应的可能机理(Scheme 3). 他们推测: 首先亚铜(Cu^＋)与手性螺环单膦配体形成络合物A,A再与NaBArF进行离子交换转化为活性铜催化剂B,亚铜离子与底物1的双键和氧原子同时配位形成π-络合物C,C迅速与格利雅试剂64作用产生中间体D,π-络合物D通过分子内重排形成σ-络合物E,这步反应是不可逆的,也是决定产物构型的一步,中间体E中的R¹从铜的背面进攻2-位C,得到1,2-trans开环产物67.

  

  图图式 3 氧杂二环烯烃1与格利雅试剂64反应的可能机理

  Figure 图式 3. Plausible mechanism for oxabicyclic alkenes 1 with Grignard reagents 64

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  2009年,Alexakis等^[49]在以前研究的基础上又将CuTC (copper thiophene-2-carboxylate)与手性N-P配体70络合形成的络合物作为催化剂应用于催化氧杂二环烯烃1与芳基格利雅试剂69的开环反应(Eq. 29). 研究表明: 开环反应具有很好的立体选择性,但当底物1苯环上带有吸电子基时,反应的产率和ee值降低,目标产物66的主要立体构型为1,2-trans,产率为90%,ee值为82%.

  2014年,我们课题组^[50]首次报道了铂催化氧杂二环烯烃1与格利雅试剂69的开环反应(Eq. 30). 研究表明: 脂肪族格利雅试剂比芳香族格利雅试剂作亲核试剂获得的外消旋开环产物71的产率更高(90%),而底物1上取代基的电子效应,对开环反应的产率影响不大,目标产物71的主要立体构型为1,2-anti外消旋.

  5    有机铝试剂

  2005年,Pineschi等^[51]使用Cu(OTf)₂和N-P配体75络合形成的络合物作为手性催化剂,催化二氮杂二环烯烃72与三烷基铝73的开环反应,得到开环产物74 (Eq. 31). 他们也尝试了不同的二烷基锌作亲核试剂,发现三烷基铝的活性更高,亲核性更强. 其中使用(CH₃)₃Al作亲核试剂时,开环反应转化率大于98%,ee值达到86%.

  2009年,Alexakis等^[52]报道了铜与配体70络合形成的催化剂催化氧杂二环烯烃1与三烷基铝试剂73的开环反应(Eq. 32). 经反应条件优化后,进行了一系列铜催化氧杂二环烯烃的开环反应(表 4). 研究发现: 配体70的空间位阻效应对反应的影响不大,目标产物76的主要立体构型为1,2-anti和少量的1,2-syn,ee值高达94%.

  表4 铜催化氧杂二环烯烃与不同三烷基铝试剂的开环反应 Table4. Copper-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with different trialkylaluminum reagents

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  Substrate	R	Yield/%	anti:syn	ee/%
  1a	Et	79	99:1	92
  1a	n-Pr	50	95:5	87
  1a	n-Bu	95	99:1	87
  1a	i-Bu	71	99:1	94
  1c	Et	95	99:1	89
  1d	Et	(100)	99:1	88
  1d	i-Bu	—	—	—

  表4 铜催化氧杂二环烯烃与不同三烷基铝试剂的开环反应
  Table4. Copper-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with different trialkylaluminum reagents

  6    有机锆试剂

  2004年,Cheng等^[53]报道了以Ni(PPh₃)₂Cl₂作催化剂,在锌粉或ZnCl₂存在下,以THF为溶剂,实现了氧(氮)杂二环烯烃43与末端烯基锆类化合物77的开环反应. 研究表明: 添加物Lewis酸ZnCl₂对开环反应较有利,但过量的ZnCl₂会使目标产物78 (X＝O)进一步发生消除反应, 脱水形成取代萘(Eq. 33). 目标产物的主要立体构型为1,2-syn,产率可达89%.

  他们还提出了该反应的可能机理(Scheme 4): 亲核试剂(Cp₂ZrClCH＝CHR)先与二价镍作用,得到烯基镍(Ⅱ)中间体A. 在ZnCl₂作用下,Ni与氧杂二环烯烃43的双键和氧原子配位产生中间体B,然后通过β杂原子消去得到中间体C,其又与Cp₂ZrCl₂作用得到Ni(Ⅱ)催化剂和烯醇锆盐D,后者进一步质子化得到开环产物78.

  

  图图式 4 烯基锆类试剂与氧杂二环烯烃反应的可能机理

  Figure 图式 4. Plausible mechanism for oxabicyclic alkenes with alkenylzirconium reagents

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  2005年,Cheng等^[54]又尝试了Ni与DPPE络合形成的络合物作催化剂,在锌粉或ZnCl₂存在下,以THF为溶剂,实现了氧杂二环烯烃1分别与烷基锆类79和烯丙基锆类化合物81的开环反应(Eqs. 34,35). 目标产物的主要立体构型为1,2-syn,产率都在中等程度以上.

  7    有机锂试剂

  与其他的有机金属试剂相比,有机锂试剂价格便宜,常用于碳-碳键的构建,但由于该试剂在空气中稳定性差,容易着火,因此在使用时一定要注意安全^{[55, 56]}. 2012年,Bos等^[57]报道了铜与手性氮-膦配体85络合形成的络合物催化氧杂二环烯烃1与有机锂试剂83的开环反应,在添加物Lewis酸BF₃•OEt₂的作用下,催化剂的手性诱导好,对映选择性高,目标产物84的立体构型均为1,2-anti,产率为96%,ee值高达97% (Eq. 36).

  8    有机硅试剂

  2010年,Sawama课题组^[58]对Au催化二氢呋喃的烯丙基化和酰胺化反应研究的基础上,他们^[59]尝试把Au应用于催化氧杂二环烯烃86与烯丙基硅醚87 (allyl TMS)的开环反应中(Eq. 37). 研究表明: 该反应不需要经过2-烷基-1,2-二氢-1-萘醇中间体,直接生成2-烯丙基萘. 他们还发现AuCl₃的催化效果最好,同时加入少量的AgSbF₆作为添加物,有利于产率的提高,对于不对称的底物,反应的产率和对映选择性都很高,目标产物88的产率高达99%.

  他们还提出该类型反应的机理(Scheme 5). 底物遵循电子效应和区域选择性,首先通过环氧部分裂解形成阳离子中间体A,然后亲核试剂烯丙基硅醚进攻中间体A的C-2位,得到β-硅阳离子中间体B,碳-硅键断裂产生了C和Au催化剂,最后,C通过β杂原子消去得到开环产物88. 值得注意的是,B中氧负离子和碳正离子结合形成的四氢呋喃89为反应的副产物,可进一步开环得到中间体C.

  

  图图式 5 Au催化氧杂二环烯烃与烯丙基硅醚反应的可能机理

  Figure 图式 5. Plausible mechanism for oxabicyclic alkenes with organic silicon reagents

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  9    α,β-不饱和酮试剂

  2014年,Cheng等^[34]报道了镍催化氧(氮)杂二环烯烃43与α,β-不饱和酮90的开环反应(Eq. 38). 研究发现: 当底物43 X＝O时,反应发生消除并闭环,得到产物92,而不是开环产物91,反应的最佳溶剂为CH₃CN,目标产物的主要立体构型为1,2-syn,产率高达93%.

  2015年,Lautens等^[60]成功地将[Rh(cod)(OH)]₂与配体97络合形成的铑催化剂应用于氧杂二环烯烃93与蒽酮94的开环反应(Eq. 39). 研究表明: 反应得到两种开环产物,其中95为主要产物,96为次要产物,反应的产率和对映立体选择性均很高. 目标产物的主要立体构型为1,2-trans,产率高达99%,ee值上升为97%.

  10    有机膦作亲核试剂

  2015年,Zhou等^[61]报道了以Pd(OTf)₂和Cu(OAc)₂为共同催化剂,在中性条件下催化氧杂二环烯烃1与三芳基膦试剂97的开环反应并发生闭环(Eq. 40). 研究结果表明,底物1苯环上取代基的电子效应对反应的影响不大. 目标产物98的产率为80%.

  11    结论与展望

  过渡金属催化氧(氮)杂二环烯烃的开环反应是一步合成具有两个手性中心化合物的有效方法,同时,也是合成二氢化萘结构单元中间体一种有效方法. 因此,该类开环反应具有一定的科学意义和潜在的应用价值. 过渡金属Ni,Cu,Ru,Rh,Ir和Pd催化氧(氮)杂二环烯烃的开环反应,具有较好的区域选择性、对映选择性和手性诱导立体控制. 尽管已合成出多种有效的过渡金属配合物催化剂,应用于氧(氮)杂二环烯烃开环反应的研究,但没有任何一种催化剂能适用于所有底物和不同的亲核试剂的开环. 因此,发展高立体化学选择性、高对映选择性、高催化活性的过渡金属配合物催化剂,实现高效选择性的开环反应,探索更适合的反应条件及研究反应催化循环机理仍然是将来需要研究的重点课题.

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  图式 1  氮杂二环烯烃与末端炔烃反应的可能机理

  Scheme 1  Plausible mechanism for azabicyclic alkenes with terminal alkynes

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  图式 2  Ni(0)催化氧杂二环烯烃与芳基硼酸反应的可能机理

  Scheme 2  Plausible mechanism for Ni(0)-catalyzed ARO of oxabicyclic alkenes with arylboronic acids

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  图式 3  氧杂二环烯烃1与格利雅试剂64反应的可能机理

  Scheme 3  Plausible mechanism for oxabicyclic alkenes 1 with Grignard reagents 64

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  图式 4  烯基锆类试剂与氧杂二环烯烃反应的可能机理

  Scheme 4  Plausible mechanism for oxabicyclic alkenes with alkenylzirconium reagents

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  图式 5  Au催化氧杂二环烯烃与烯丙基硅醚反应的可能机理

  Scheme 5  Plausible mechanism for oxabicyclic alkenes with organic silicon reagents

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  表 1  R¹和R²对Pd催化氧杂二环烯烃和有机锌试剂的开环反应的影响

  Table 1.  Effect of R¹ and R² groups on the palladium-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic akenes with organozinc reagents

  R1	R2	Time/h	Yield/%	ee/%
  H	Me	1.5	92	95.8
  H	Me	1.5	90	96.3
  H	Me	2	93	99.9
  H	Me	2	94	99.8
  H	Et	6	90	99.9
  MeOCH2O	Me	4	92	94.0
  H	Et	6	89	99.2

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  表 2  钌催化氧杂二环烯烃和不同炔烃试剂的开环反应

  Table 2.  Ru-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with various alkynes reagents

  Compd. 26	R3	R4	T/℃	Time/h	Yield/%
  26a	CH2OAc	CH2OAc	60	24	49
  26b	CH2OMe	CH2OMe	60	24	60
  26c	CH2OMOM	CH2OMOM	60	24	63
  26d	CH2OTBDMS	CH2OTBDMS	60	62	30
  26e	CH2OCO2Me	CH2OCO2Me	60	14	81
  26f	CH2OH	CH2OH	60	24	94
  26g	Me	CH2OH	90	2.5	30
  26h	Bu	CH2OH	60	48	57
  26i	Et	Et	90	60	18

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  表 3  钯催化氧杂二环烯烃和不同末端炔烃试剂的开环反应

  Table 3.  Pd-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with various terminal alkynes reagents

  Compd. 1	R	Time/h	Yield/%	ee/%
  1a	Ph	7	75	98
  1b	4-MeOC6H4	3	66	90
  1c	3-MeOC6H4	75	72	98
  1d	3,5-Me2C6H3	103	54	96
  1e	4-FC6H4	9	68	98
  1f	4-CF3OC6H4	5	87	99
  1g	4-NCC6H4	22	95	96
  1h	4-CF3-C6H4	4	94	99
  1i	Si(Me)3	19	74	97
  1g	PhCH2CH2	72	—	—

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  表 4  铜催化氧杂二环烯烃与不同三烷基铝试剂的开环反应

  Table 4.  Copper-catalyzed ring-opening reactions of oxabicyclic alkenes with different trialkylaluminum reagents

  Substrate	R	Yield/%	anti:syn	ee/%
  1a	Et	79	99:1	92
  1a	n-Pr	50	95:5	87
  1a	n-Bu	95	99:1	87
  1a	i-Bu	71	99:1	94
  1c	Et	95	99:1	89
  1d	Et	(100)	99:1	88
  1d	i-Bu	—	—	—

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