可见光氧化还原催化下α-酮酸对对位亚甲基醌(p-QMs)脱羧/1, 6-共轭加成反应

吴自俊 汪舰

引用本文: 吴自俊, 汪舰. 可见光氧化还原催化下α-酮酸对对位亚甲基醌(p-QMs)脱羧/1, 6-共轭加成反应[J]. 化学学报, 2017, 75(1): 74-79. doi: 10.6023/A16090492 shu
Citation:  Wu Zijun, Wang Jian. Decarboxylative 1, 6-Conjugate Addition of α-Keto Acids with para-Quinone Methides Enabled by Photoredox Catalysis[J]. Acta Chimica Sinica, 2017, 75(1): 74-79. doi: 10.6023/A16090492 shu

可见光氧化还原催化下α-酮酸对对位亚甲基醌(p-QMs)脱羧/1, 6-共轭加成反应

    通讯作者: 汪舰, E-mail:wangjain2012@tsinghua.edu.cn; Tel:010-62772583
  • 基金项目:

    项目受国家自然科学基金 21672121

摘要: 研究了可见光照射下,Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6催化α-酮酸脱羧后得到的酰基自由基与对位亚甲基醌(p-QMs)发生1,6-共轭加成反应,以71%~94%的收率实现了24种不同结构的α-芳基-α,α'-二芳基酮的合成.该反应对于不同电性及立体结构取代的α-酮酸和对位亚甲基醌(p-QMs)都具有较好普适性.该合成策略使用简单易得、具有较好稳定性的α-酮酸为起始原料,以及清洁、廉价且可再生的可见光这一绿色能源,反应还具有条件温和,官能团兼容性好等特点.

English

  • 

    1    引言

    α, α'-二芳基酮分子骨架广泛存在于许多具有重要生物活性的天然产物以及人工合成的药物化合物中[1].目前, 对于这类α-芳基-α, α'-二芳基酮类化合物的合成主要集中于使用过渡金属催化羰基化合物对应的烯醇式化合物与另一芳基化合物片段交叉偶联得到[2].采用非金属的偶联反应也被报道成功地应用到α-芳基酮类化合物的合成中[3].Anand等[4]报道了氮杂卡宾催化下芳基醛发生极性反转得到亲核的芳基甲酰基负离子, 后者与对位亚甲基醌(p-QMs)发生1, 6-共轭加成反应得到α-芳基-α, α'-二芳基酮.但是采用这种合成方法需要0.2 equiv.的NHC催化剂参与反应(图 1a).

    图1 酰基负离子参与的1, 6-共轭加成

    Figure 1. 1, 6-Conjugate addition with acyl anion equivalent

    在有机合成研究领域, 设计高效的反应并用于合成有机化合物是化学家们的主要研究课题.近几十年来, 一些常见的过渡金属, 如:钯、铜、钌及铑盐等均被证实可高效催化导向基团参与的碳-氢键活化及官能化反应, 从而用于构建新的碳-碳键和碳-杂键[5].羧酸作为一种廉价易得的化合物, 具有容易存储和运输的优点.目前使用稳定的羧酸(盐或酯)作为反应底物, 利用其易脱羧的特点来设计反应是当前有机合成领域的研究热点之一[6].但是目前这类通过过渡金属催化羧酸脱羧得到酰基活性中间体通常需要加热条件以及使用到强氧化剂[6].

    可见光催化反应通常使用清洁、廉价且可再生的可见光这一绿色能源, 反应条件温和(室温条件下反应、避免强氧化剂使用)以及避免了额外配体的使用而越来越受到有机合成化学家的青睐[7].最近, 可见光氧化还原自催化诱导α-酮酸脱羧得到相应的酰基自由基中间体已被应用到了各种复杂羰基化合物的合成中[8~13].2014年, 雷爱文课题组[8]报道了温和条件下, 胺与α-酮酸在可见光氧化还原自催化体系下脱羧偶联得到酰胺.2015年, 陈以昀课题组[9a]、王磊课题组[9b]和肖文精课题组[9c]分别报道了可见光氧化还原自催化条件下, 炔基卤代物与α-酮酸的脱羧偶联反应实现不同炔酮的合成.Macmillan课题组[10]报道了可见光氧化还原催化体系协同金属镍催化下, α-酮酸脱羧后与芳基卤代物交叉偶联得到芳基酮.同理, 傅尧课题组[11]和王磊课题组[12]也分别通过可见光氧化还原自催化体系和钯协同作用实现了相似的转化反应.随后, 傅尧课题组[13]还报道了α-酮酸在可见光氧化还原自催化条件下脱羧后与α, β-不饱和体系发生Michael加成, 得到各种不同的1, 4-二羰基化合物及其衍生物.受到这些报道的启发, 我们设想将可见光氧化还原自催化体系应用到α-酮酸与对位亚甲基醌(p-QMs)[14]发生脱羧、1, 6-共轭加成反应, 从而实现α-芳基-α, α′-二芳基酮的合成(图 1b).这个合成策略不同于已知文献报道的使用氮杂卡宾小分子催化下得到芳基甲酰基负离子的途径[4], 该反应所需要的催化剂当量相对较低, 反应通过芳基甲酰基自由基活性中间体, 反应普适性也有较大不同.本文报道了我们实验探究所获得的一些结果.

    2    结果与讨论

    2.1    光氧化还原催化剂对反应的影响

    首先以2-氧代苯乙酸(1a)、对位亚甲基醌(2a)为反应底物, 室温下, 二氯甲烷作溶剂、磷酸氢二钾作碱, 使用36 W Blue LED作为光源, 考察了常用的几种不同光氧化还原催化剂对反应的影响(表 1, Entries 1~6).结果显示[Ru (bpy)3]Cl2(Ru-cat.1)[7h] [E1/2(M/M)=0.77 V vs SCE, τ=1100 ns]以及Ir (ppy)2(dtbbpy) PF6(Ir-cat.2)[7h] [E1/2(M/M)=0.66 V vs SCE, τ=557 ns]基本都不能诱发反应发生(表 1, Entries 1, 2).Ir[dF (CF3) ppy]2(phen) PF6(Ir-cat.3)能够较好的催化反应顺利发生, 以81%的收率得到1a脱羧后再对2a的1, 6-共轭加成产物α-芳基-α, α'-二芳基酮3aa(表 1, Entry 3).而使用Ir[dF (CF3) ppy]2-(dtbbpy) PF6(Ir-cat.4)[7h] [E1/2(M/M)=1.21 V vs SCE, τ=2300 ns]为催化剂, 3aa的收率可以达到93%(表 1, Entry 4).fac-Ir (ppy)(Ir-cat.5)以及基于有机染料的催化剂Na2-Eosin Y (6)则对反应没有效果(表 1, Entries 5, 6).

    表1 反应条件的优化a Table1. Optimization of conditions
    Entry Cat. Base Solvent Yieldb/%
    1 Ru-cat. 1 K2HPO4 CH2Cl2 <5
    2 Ir-cat. 2 K2HPO4 CH2Cl2 <5
    3 Ir-cat. 3 K2HPO4 CH2Cl2 81
    4 Ir-cat. 4 K2HPO4 CH2Cl2 93
    5 Ir-cat. 5 K2HPO4 CH2Cl2 0
    6 6 K2HPO4 CH2Cl2 0
    7 Ir-cat. 4 K2CO3 CH2Cl2 85
    8 Ir-cat. 4 Na2CO3 CH2Cl2 29
    9 Ir-cat. 4 DIPEA CH2Cl2 0
    10 Ir-cat. 4 K2HPO4 Toluene 56
    11 Ir-cat. 4 K2HPO4 CH3CN trace
    12 Ir-cat. 4 K2HPO4 DMF trace
    aReaction conditions: 1a (0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), base (0.12 mmol), and solvent (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
    表1 反应条件的优化a
    Table1. Optimization of conditions

    确定了以Ir[dF (CF3) ppy]2(dtbbpy) PF6(Ir-cat.4)为最佳催化剂后, 我们又继续对反应所使用的碱和溶剂作了细致的筛选(详见支持信息).当把反应使用的碱由磷酸氢二钾改变为碳酸钾, 反应收率有一定下降(表 1, Entry 7).而碱性较弱的碳酸钠, 收率降低的更为明显(表 1, Entry 8).这可能源于碱性强弱影响到α-酮酸去质子化、脱羧形成苯甲酰基自由基.使用有机碱DIPEA, 则没有检测到产物生成(表 1, Entry 9).对比光催化氧化还原反应常用的反应溶剂, 甲苯、乙腈和N, N-二甲基甲酰胺反应效果都不如二氯甲烷(表 1, Entries 10~12).所以, 最终得出的最佳反应条件为(表 1, Entry 4): Ir[dF (CF3)-ppy]2(dtbbpy) PF6(Ir-cat.4)为催化剂, 磷酸氢二钾为碱, 二氯甲烷作溶剂, 使用36 W Blue LED作为光源, 模板反应以93%收率得到α-芳基-α, α'-二芳基酮3aa.

    2.2    底物的适用范围

    2.3    反应机理的研究

    为了研究该反应的机理, 探明反应可能经过的历程, 我们做了相关机理的验证实验(表 4).

    表4 控制对照试验a Table4. Control experiment
    Entry Variations from the standard conditions Yleldb/%
    1 Air instead of N2 67
    2 O2 instead of N2 0
    3 Without light trace
    4 Without photoredox cat. 0
    aReaction conditions: 1a (0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), K2HPO4 (0.12 mmol), and CH2Cl2 (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
    表4 控制对照试验a
    Table4. Control experiment

    使模板反应在空气氛围下发生, 收率明显降低.进一步使用氧气作为反应氛围气体, 基本没有得到目标产物(表 4, Entries 1, 2).采用控制光照给予以及催化剂的使用证明该反应的顺利发生对于光照诱发是必需的(表 4, Entries 3, 4).

    为了证明反应中酰基自由基中间体的存在, 我们设计了TMEPO参与的自由基捕捉对照试验(图 2).

    图2 TMEPO添加试验

    Figure 2. Control experiment with TMEPO as additive

    将2 equiv.TMEPO作为添加物加入到模板反应中, 结果显示, 只能检测到微量的1, 6-共轭加成产物3aa生成, 而反应以80%的收率得到了化合物4.这说明添加物TMEPO在反应条件下同化合物2a竞争性地与苯甲酰基自由基活性中间体发生反应, 同时TMEPO还可以作为氧化剂将催化剂重新氧化到Ir (Ⅲ)而再次参与反应循环[15].

    最后, 我们对该可见光氧化还原催化下α-酮酸同对位亚甲基醌发生1, 6-共轭加成反应形成α-芳基-α, α'-二芳基酮的机理进行了初步推测(图 3).光照下, 处于激发态的Ir (Ⅲ)将α-酮酸氧化脱羧得到酰基自由基, 后者与对位亚甲基醌(p-QMs)发生单电子的1, 6-共轭加成得到不稳定的自由基中间体Ⅲ, Ⅲ接着与处于还原态的Ir (Ⅱ)发生单电子转移反应, 得到化合物Ⅳ的同时催化剂重新氧化为Ir (Ⅲ)参与到反应循环中.Ⅳ经质子化后得到最终产物α-芳基-α, α'-二芳基酮.

    图3 可能的反应机理

    Figure 3. Proposed reaction mechanism

    2.2.2    对位亚甲基醌(p-QMs)对反应的普适性

    为了研究对位亚甲基醌(p-QMs)对该反应的适用范围, 我们采用了不同的对位亚甲基醌(p-QMs)作为底物参与反应, 实验所得结果列于表 3.

    表3 对位亚甲基醌的底物扩展a Table3. Substrate scope of p-QMs
    Entry 3 R1/R2(2) Yieldb/%
    1 3aa t-Bu/p-MeOPh (2a) 93
    2 3ab t-Bu/p-ClC6H4 (2b) 81
    3 3ac t-Bu/p-BrC6H4 (2c) 83
    4 3ad t-Bu/p-NO2C6H4 (2d) 71
    5 3ae t-Bu/p-iC3H7C6H4 (2e) 79
    6 3af t-Bu/m-ClC6H4 (2f) 81
    7 3ag t-Bu/3-Br-4-F-C6H3 (2g) 77
    8 3ah t-Bu/3, 5-(MeO)2-C6H4 (2h) 89
    9 3ai t-Bu/2, 3-dihydrobenzo[b][1, 4]dioxine-5-(2i) 90
    10 3aj t-Bu/1-naphthalene(2j) 82
    11 3ak t-Bu/o-MeOC6H4 (2k) 94
    12 3al Me/Ph(2l) 78
    aReaction conditions: 1a (0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), base (0.12 mmol), and solvent (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
    表3 对位亚甲基醌的底物扩展a
    Table3. Substrate scope of p-QMs

    对位亚甲基醌(p-QMs)中R2取代可以为对位、间位和邻位取代, 反应都可以顺利发生.无论给电子还是负电子取代基, 反应体系都能表现出较好的兼容性, 能够以71%~94%的收率得到目标产物(表 3, Entries 1~11).这里同样值得指出的是, 在Anand小组[4]报道的合成策略中, 缺电子的底物2d表现出较差的反应性, 而在我们的体系中2d仍能以71%的收率得到对应的α-芳基-α, α'-二芳基酮(表 3, Entry 4).其他类型的对位亚甲基醌(p-QMs), 如R1为甲基、R2为苯基的底物(2l)也能在反应条件下以72%的收率得到3al.为了说明该合成方法的实用性, 实验中我们可以将模型反应放大到5 mmol进行尝试, 并以88%的收率得到3aa.

    2.2.1    α-酮酸对反应的普适性

    通过以上对催化剂的筛选和反应条件的优化, 在最佳反应条件下, 考察具有不同取代基的α-酮酸对反应的普适性, 结果列于表 2中.

    表2 α-酮酸的底物扩展a Table2. Substrate scope of α-oxocarboxylic acids
    Entry 3 R (1) Yieldb/%
    1 3aa Ph (1a) 93
    2 3ba p-MeOC6H4 (1b) 87
    3 3ca p-BrC6H4 (1c) 85
    4 3da p-CF3C6H4 (1d) 73
    5 3ea p-PhC6H4 (1e) 89
    6 3fa m-ClC6H4 (1f) 85
    7 3ga 2-Cl-6-F-C6H3 (1g) 86
    8 3ha o-BrC6H4 (1h) 94
    9 3ia 2-furan(1i) 81
    10 3ja 2-thiophene(1j) 79
    11 3ka 3-indole (1k) 85
    12 3la 2-naphthalene(1l) 90
    13 3ma 2-benzo[b]thiophene(1m) 72
    aReaction conditions: 1(0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), KH2PO4 (0.12 mmol), and CH2Cl2 (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
    表2 α-酮酸的底物扩展a
    Table2. Substrate scope of α-oxocarboxylic acids

    结果如表 2所示.反应对不同的芳香α-酮酸都表现出较好的普适性.无论是吸电子还是给电子基取代的底物, 在该催化体系下都能表现出良好的反应活性, 能够以72%~94%的收率得到相应的α-芳基-α, α'-二芳基酮化合物(表 2, Entries 1~8).值得指出的是, Anand[4]报道的氮杂卡宾催化芳香甲醛同对位亚甲基醌(p-QMs)反应体系中, 存在给电子取代的芳香α-酮酸反应效果较差的问题, 而通过该可见光氧化还原催化体系则可以较好地解决这个问题.呋喃、噻吩、吲哚和苯并噻吩等杂环取代的底物也能很好地适用于该反应体系(表 2, Entries 9~13).3-吲哚取代底物中酸性的N-H并没有影响反应的顺利发生(表 2, Entry 11).

    3    结论

    本文通过使用可见光氧化还原自催化反应体系, 实现了Ir[dF (CF3) ppy]2(dtbbpy) PF6催化α-酮酸对对位亚甲基醌(p-QMs)的脱羧、1, 6-共轭加成反应, 这是首次将α-酮酸脱羧加成反应的受体拓展到1, 6-共轭体系中.为α-酮酸提供了一种新的可见光催化下的应用模式.反应使用简单易得、具有较好稳定性的α-酮酸为起始原料, 清洁、廉价且可再生的可见光这一绿色能源, 成功实现了不同取代α-芳基-α, α'-二芳基酮的合成.该反应条件温和, 具有宽广的底物适用范围和良好的官能团兼容性.进一步通过对照、控制实验证明α-酮酸脱羧进而生成的酰基自由基是该反应重要的活性中间体.

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      For reviews on the chemistry of p-QMs, see: (a) Turner, A. B. Q. Rev. Chem. Soc. 1964, 18, 347; (b) Peter, M. G. Angew. Chem., Int. Ed. 1989, 28, 555; (c) Toteva, M. M.; Richard, J. P. Adv. Phys. Org. Chem. 2011, 45, 39.

    15. [15]

      Chatgilialoglu, C.; Crich, D.; Komatsu, M.; Ryu, I. Chem. Rev. 1999, 99, 1991. doi: 10.1021/cr9601425

  • 图 1  酰基负离子参与的1, 6-共轭加成

    Figure 1  1, 6-Conjugate addition with acyl anion equivalent

    图 2  TMEPO添加试验

    Figure 2  Control experiment with TMEPO as additive

    图 3  可能的反应机理

    Figure 3  Proposed reaction mechanism

    表 1  反应条件的优化a

    Table 1.  Optimization of conditions

    Entry Cat. Base Solvent Yieldb/%
    1 Ru-cat. 1 K2HPO4 CH2Cl2 <5
    2 Ir-cat. 2 K2HPO4 CH2Cl2 <5
    3 Ir-cat. 3 K2HPO4 CH2Cl2 81
    4 Ir-cat. 4 K2HPO4 CH2Cl2 93
    5 Ir-cat. 5 K2HPO4 CH2Cl2 0
    6 6 K2HPO4 CH2Cl2 0
    7 Ir-cat. 4 K2CO3 CH2Cl2 85
    8 Ir-cat. 4 Na2CO3 CH2Cl2 29
    9 Ir-cat. 4 DIPEA CH2Cl2 0
    10 Ir-cat. 4 K2HPO4 Toluene 56
    11 Ir-cat. 4 K2HPO4 CH3CN trace
    12 Ir-cat. 4 K2HPO4 DMF trace
    aReaction conditions: 1a (0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), base (0.12 mmol), and solvent (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
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    表 2  α-酮酸的底物扩展a

    Table 2.  Substrate scope of α-oxocarboxylic acids

    Entry 3 R (1) Yieldb/%
    1 3aa Ph (1a) 93
    2 3ba p-MeOC6H4 (1b) 87
    3 3ca p-BrC6H4 (1c) 85
    4 3da p-CF3C6H4 (1d) 73
    5 3ea p-PhC6H4 (1e) 89
    6 3fa m-ClC6H4 (1f) 85
    7 3ga 2-Cl-6-F-C6H3 (1g) 86
    8 3ha o-BrC6H4 (1h) 94
    9 3ia 2-furan(1i) 81
    10 3ja 2-thiophene(1j) 79
    11 3ka 3-indole (1k) 85
    12 3la 2-naphthalene(1l) 90
    13 3ma 2-benzo[b]thiophene(1m) 72
    aReaction conditions: 1(0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), KH2PO4 (0.12 mmol), and CH2Cl2 (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
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    表 3  对位亚甲基醌的底物扩展a

    Table 3.  Substrate scope of p-QMs

    Entry 3 R1/R2(2) Yieldb/%
    1 3aa t-Bu/p-MeOPh (2a) 93
    2 3ab t-Bu/p-ClC6H4 (2b) 81
    3 3ac t-Bu/p-BrC6H4 (2c) 83
    4 3ad t-Bu/p-NO2C6H4 (2d) 71
    5 3ae t-Bu/p-iC3H7C6H4 (2e) 79
    6 3af t-Bu/m-ClC6H4 (2f) 81
    7 3ag t-Bu/3-Br-4-F-C6H3 (2g) 77
    8 3ah t-Bu/3, 5-(MeO)2-C6H4 (2h) 89
    9 3ai t-Bu/2, 3-dihydrobenzo[b][1, 4]dioxine-5-(2i) 90
    10 3aj t-Bu/1-naphthalene(2j) 82
    11 3ak t-Bu/o-MeOC6H4 (2k) 94
    12 3al Me/Ph(2l) 78
    aReaction conditions: 1a (0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), base (0.12 mmol), and solvent (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
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    表 4  控制对照试验a

    Table 4.  Control experiment

    Entry Variations from the standard conditions Yleldb/%
    1 Air instead of N2 67
    2 O2 instead of N2 0
    3 Without light trace
    4 Without photoredox cat. 0
    aReaction conditions: 1a (0.1 mmol), 2a (0.12 mmol), photoredox-cat. (1 mol%), K2HPO4 (0.12 mmol), and CH2Cl2 (1 mL), the reaction was carried out under N2 atmosphere at r.t.; bYield of the isolated product after column chromatography.
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  • 收稿日期:  2016-09-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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