过渡金属催化和有机小分子参与的α,β-不饱和酮与烯丙醇的Morita-Baylis-Hillman反应

李娅琼 黄志真

引用本文: 李娅琼, 黄志真. 过渡金属催化和有机小分子参与的α,β-不饱和酮与烯丙醇的Morita-Baylis-Hillman反应[J]. 化学学报, 2017, 75(3): 280-283. doi: 10.6023/A16110587 shu
Citation:  Li Yaqiong, Huang Zhizhen. Morita-Baylis-Hillman Reaction of α,β-Unsaturated Ketones with Allylic Alcohols by the Combination of Transition-Metal Catalysis and Organomediation[J]. Acta Chimica Sinica, 2017, 75(3): 280-283. doi: 10.6023/A16110587 shu

过渡金属催化和有机小分子参与的α,β-不饱和酮与烯丙醇的Morita-Baylis-Hillman反应

    通讯作者: 黄志真, E-mail:huangzhizhen@zju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21372195

摘要: 在过渡金属催化和有机小分子参与下,α,β-不饱和酮与烯丙醇可顺利地发生Morita-Baylis-Hillman(MBH)反应,生成相应的烯丙基化偶联产物.该MBH反应具有原料易制备、与许多官能团兼容、很好的区域和立体选择性和令人满意的产率.并提出利用六氟异丙醇形成鏻盐和活化烯丙醇的可能机理.

English

  • 

    1   引言

    Morita-Baylis-Hillman (MBH) 反应是一类形成碳-碳键的重要反应, 并被广泛用于合成多官能团分子[1].在有机小分子的影响下, 通常在胺或膦的催化下, MBH反应可高效地在活化烯烃的α-位与碳亲电试剂偶联.所用的活化烯烃可以是丙烯醛、烷基烯基酮、丙烯酸酯、丙烯酸酰胺、丙烯腈、烯基砜、烯基磺酸酯、烯基膦酸酯等[1a].所用的碳亲电试剂可以是醛[1a]、1, 2-二酮[1a]、醛亚胺[1a]、环氧化物[2]、氯化三芳基铋[3]等. 2005年Krafft等[4]报道, 在叔膦作用下, 含α, β-不饱和酮和卤代烷结构单元的底物, 可发生分子内MBH反应, 生成含五元或六元环的α, β-不饱和酮.目前, MBH烷基化, 尤其是分子间的MBH烷基化, 仍然具有挑战性.文献报道, 在有机小分子催化或参与下, α, β-不饱和羰基化合物可与烯丙基卤化物发生MBH反应[5]. Krafft等[5a]还报道, 在叔膦作用下, 含α, β-不饱和酮和烯丙醇结构单元的底物, 可发生烯丙醇的氯代和随后的分子内MBH“一锅”反应, 生成含五元或六元环的α, β-不饱和酮. 2016年我们课题组[6a]发现, 在过渡金属催化和有机小分子参与下, 如果有质子酸存在, α, β-不饱和酮可与烯丙基羧酸酯顺利地发生分子间的MBH反应.大多数情况下, 烯丙基卤化物或烯丙基羧酸酯比烯丙醇难制备.然而, 有关α, β-不饱和羰基化合物与烯丙醇的MBH反应的系统性研究, 还未见报道.在此, 我们报道有关过渡金属催化和有机小分子参与的α, β-不饱和酮与烯丙醇的MBH反应.

    2   结果和讨论

    我们将芳基烯基酮1b和烯丙醇2a作为模板底物, 来探索并优化它们的MBH反应.实验表明, 在氮气氛围中, 在Pd (PPh3)4 (10 mol%) 催化下和P (n-Bu)3 (100 mol%) 参与下, 如果在60 ℃温度下单一地用甲苯或CF3CH2OH作溶剂[7], 没有得到所需的α-烯丙基化产物3ba(表 1, Entries 1~2).然而, 当使用甲苯和CF3CH2OH的混合溶剂, 得到了所需的α-烯丙基化产物3ba, 但产率较低 (表 1, Entry 3).用各种醇与甲苯作混合溶剂后发现, 更易解离出质子的 (CF3)2CHOH (HFIP)[8]与甲苯的混合溶剂, 效果最好, 可以较好的产率得到α-烯丙基化产物3ba(表 1, Entry 5;以及SI).同时, 也筛选了其它钯催化剂、叔膦和叔胺, 均未获得更好的产率 (表 1, Entries 7~12 vs. Entry 5).用其它有机溶剂与HFIP混合, 得不到或得到低产率的α-烯丙基化产物3ba(表 1, Entries 13~14 vs. Entry 5;以及SI). P (n-Bu)3的使用量降至50 mol%时, 3ba的产率大幅度降至31%(表 1, Entry 5).单一使用Pd (PPh3)4或P (n-Bu)3时, 不能得到3ba.因此, 该MBH反应的优化条件可概括为: 10 mol% Pd (PPh3)4, 100 mol% P (n-Bu)3, 甲苯/(CF3)2CHOH (V/V=35/1) 作溶剂, 60 ℃反应温度, 氮气保护.

    表 1  优化芳基烯基酮1b和烯丙醇2a的MBH反应a Table 1.  Optimization of MBH reaction of aryl vinyl ketone 1b with allylic alcohol 2aa
    Entry [Pd] Phosphine or Amine Solvent (V/V) Yieldb/%
    1 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene 0
    2 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 CF3CH2OH 0
    3 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/CF3CH2OH (15/1) 18
    4 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (15/1) 31
    5 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 75 (31c)
    6 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (60/1) 66
    7 Pd2(dba)3 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 53
    8 Pd (OAc)2 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 71
    9 Pd (TFA)2 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 65
    10 Pd (PPh3)4 P (Me)3 toluene/HFIP (35/1) 54
    11 Pd (PPh3)4 PPh3 toluene/HFIP (35/1) 0
    12 Pd (PPh3)4 NEt3 toluene/HFIP (35/1) 0
    13 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 dioxane/HFIP (35/1) 38
    14 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 DME/HFIP (35/1) 0
    aThe mixture of 1b (0.10 mmol), 2a (0.30 mmol), catalyst (10 mol%), and phosphine (100 mol%) was stirred in solvent (1.5 mL) at 60 ℃ under N2 for 24 h.bIsolated yields. c50 mol% P (n-Bu)3.
    表 1  优化芳基烯基酮1b和烯丙醇2a的MBH反应a
    Table 1.  Optimization of MBH reaction of aryl vinyl ketone 1b with allylic alcohol 2aa

    反应物普适性实验表明, 在优化条件下, 各种含推电子基或吸电子基芳基烯基酮1a~1g均能与烯丙醇2a顺利地进行MBH反应, 以57%~80%的产率得到所需的α-烯丙基化产物3aa~3ga(表 2, Entries 1~7).该MBH反应与芳基烯基酮1a~1g中的各种官能团均兼容, 例如:氟、氯、三氟甲基和甲氧基.然而, 用4-硝基苯基烯基酮不能得到所需的α-烯丙基化产物.萘基烯基酮1h可与烯丙醇2a发生MBH反应, 以良好的产率得到α-偶联产物3ha(表 2, Entry 8).各种3-芳基烯丙醇2b~2f均能与芳基烯基酮1b反应, 以较好的产率得到α-烯丙基化产物3bb~3bf.该3-芳基烯丙醇2b~2f发生的MBH反应, 还具有很好的区域选择性和立体选择性, 没有得到相关的异构体 (表 2, Entries 9~13). 2-甲基丙烯-1-醇2g也能与芳基烯基酮1b顺利反应生成相应的α-偶联产物3bg(表 2, Entry 14).带支链的烯丙醇2h可与芳基烯基酮1b反应, 以优秀的区域选择性得到直链的α-烯丙基化产物3bh, 该产物等同于用直链的烯丙醇2b反应所得的产物 (表 2, Entry 15).用1, 3-二苯基烯丙醇2i与芳基烯基酮1b反应, 也能以较好的产率和优秀的E型-立体选择性得到所需的α-烯丙基化产物3bi(表 2, Entry 16).

    表 2  过渡金属催化和有机小分子参与的芳基烯基酮1和烯丙醇2的MBH反应a Table 2.  The MBH reaction of aryl vinyl ketones 1 with allylic alcohols 2 by the combination of transition-metal catalysis and organomediationa
    Entry Ar R Product Yieldb/%
    1 4-MeOC6H41a H 2a 3aa 57
    2 4-MeC6H41b H 2a 3ba 75
    3 3-MeC6H4 1c H 2a 3ca 69
    4 Ph 1d H 2a 3da 80
    5 4-FC6H4 1e H 2a 3ea 73
    6 4-ClC6H4 1f H 2a 3fa 64
    7 4-CF3C6H4 1g H 2a 3ga 76
    8 2-naphthyl 1h H 2a 3ha 82
    9 4-MeC6H4 1b C6H5 2b 3bb 68
    10 4-MeC6H4 1b 4-MeOC6H4 2c 3bc 77
    11 4-MeC6H4 1b 2-MeOC6H4 2d 3bd 63
    12 4-MeC6H41b 4-FC6H4 2e 3be 71
    13 4-MeC6H4 1b 4-ClC6H4 2f 3bf 65
    14c 4-MeC6H4 1b 3bg 40
    15 4-MeC6H4 1b 3bh 82
    16 4-MeC6H4 1b 3bi 74
    a The mixture of 1 (0.10 mmol), 2 (0.30 mmol), Pd (PPh3)4 (10 mol%), P (n-Bu)3 (100 mol%) was stirred in toluene/(CF3)2CHOH (V/V=35/1, 1.5 mL) at 60 ℃ under N2 for 24 h.bIsolated yields. c toluene/(CF3)2CHOH (V/V=25/1, 1.5 mL) at 80 ℃.
    表 2  过渡金属催化和有机小分子参与的芳基烯基酮1和烯丙醇2的MBH反应a
    Table 2.  The MBH reaction of aryl vinyl ketones 1 with allylic alcohols 2 by the combination of transition-metal catalysis and organomediationa

    如所用的α, β-不饱和酮为烷基烯基酮1i, 在优化条件下, 也能与烯丙醇2b进行MBH反应, 生成α-烯丙基化产物3ib.但产率相比较用芳基烯基酮1b, 有显著降低 (图式1, Eq. 1 vs. 表 2, Entry 9).当使用β-位有取代基的芳基烯基酮1j, 需将温度提高至105 ℃, 才能与烯丙醇2a发生MBH反应, 生成α-偶联产物3ja(图式1, Eq. 2).

    图 图式1  扩展的α, β-不饱和酮1i~1j的MBH反应 Figure 图式1.  The MBH reactions of expanded scope of α, β-unsaturated ketones 1i~1j

    在参考以往MBH反应和π-烯丙基钯的文献基础上[1a, 9], 我们提出了如下可能的反应机理 (图式2).首先, P (n-Bu)3亲核加成到芳基烯基酮1上, 得到的膦中间体随即从六氟异丙醇 (HFIP) 获得质子, 从而生成鏻盐4.鏻盐4的形成旨在减少Rauhut-Currier副产物[6a].然后, 鏻盐4上的质子被六氟异丙氧基负离子缓慢夺走, 形成活性膦中间体5.此时, 被HFIP活化的烯丙醇[7]与钯 (0) 催化剂发生氧化加成, 形成π-烯丙基钯络合物6.膦中间体5亲核进攻钯络合物6, 生成鏻盐7; 同时产生的钯 (0) 催化剂可继续循环催化.最后, 鏻盐7发生β-氢消除生成α-烯丙基化产物3, 同时产生P (n-Bu)3.

    图 图式2  芳基烯基酮1和烯丙醇2的MBH反应的可能机理 Figure 图式2.  Possible mechanism for the MBH reaction of aryl vinyl ketone 1 with allylic alcohol 2

    3   结论

    综上所述, 我们利用Pd (PPh3)4催化和P (n-Bu)3参与, 在toluene/(CF3)2CHOH混合溶剂中, 开发出一种新颖的α, β-不饱和酮1和烯丙醇2的MBH反应, 以较好的产率得到α-烯丙基化产物3.并提出了利用 (CF3)2CHOH生成鏻盐和活化烯丙醇的可能机理.该MBH反应具有原料易制备、官能团兼容性好、优秀的区域选择性和立体选择性、较好的产率等诸多优点, 使得该反应未来有可能被应用于有机合成或化工生产中.

    1. [1]

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    2. [2]

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    3. [3]

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    4. [4]

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    5. [5]

      (a) Krafft, M. E.; Haxell, T. F. N. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10168; (b) Villar, I. S.; Gradillas, A.; Domínguez, G.; Pérez-Castells, J. Org. Lett. 2010, 12, 2418; (c) Gradillas, A.; Belmonte, E.; Silva, R. F.; Pérez-Castells, J. Eur. J. Org. Chem. 2014, 9, 1935; (d) Basavaiah, D.; Sharada, D. S.; Kumaragurubaran, N.; Reddy, R. M. J. Org. Chem. 2002, 67, 7135.

    6. [6]

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    8. [8]

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  • 图式1  扩展的α, β-不饱和酮1i~1j的MBH反应

    Scheme 1  The MBH reactions of expanded scope of α, β-unsaturated ketones 1i~1j

    图式2  芳基烯基酮1和烯丙醇2的MBH反应的可能机理

    Scheme 2  Possible mechanism for the MBH reaction of aryl vinyl ketone 1 with allylic alcohol 2

    表 1  优化芳基烯基酮1b和烯丙醇2a的MBH反应a

    Table 1.  Optimization of MBH reaction of aryl vinyl ketone 1b with allylic alcohol 2aa

    Entry [Pd] Phosphine or Amine Solvent (V/V) Yieldb/%
    1 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene 0
    2 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 CF3CH2OH 0
    3 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/CF3CH2OH (15/1) 18
    4 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (15/1) 31
    5 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 75 (31c)
    6 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (60/1) 66
    7 Pd2(dba)3 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 53
    8 Pd (OAc)2 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 71
    9 Pd (TFA)2 P (n-Bu)3 toluene/HFIP (35/1) 65
    10 Pd (PPh3)4 P (Me)3 toluene/HFIP (35/1) 54
    11 Pd (PPh3)4 PPh3 toluene/HFIP (35/1) 0
    12 Pd (PPh3)4 NEt3 toluene/HFIP (35/1) 0
    13 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 dioxane/HFIP (35/1) 38
    14 Pd (PPh3)4 P (n-Bu)3 DME/HFIP (35/1) 0
    aThe mixture of 1b (0.10 mmol), 2a (0.30 mmol), catalyst (10 mol%), and phosphine (100 mol%) was stirred in solvent (1.5 mL) at 60 ℃ under N2 for 24 h.bIsolated yields. c50 mol% P (n-Bu)3.
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    表 2  过渡金属催化和有机小分子参与的芳基烯基酮1和烯丙醇2的MBH反应a

    Table 2.  The MBH reaction of aryl vinyl ketones 1 with allylic alcohols 2 by the combination of transition-metal catalysis and organomediationa

    Entry Ar R Product Yieldb/%
    1 4-MeOC6H41a H 2a 3aa 57
    2 4-MeC6H41b H 2a 3ba 75
    3 3-MeC6H4 1c H 2a 3ca 69
    4 Ph 1d H 2a 3da 80
    5 4-FC6H4 1e H 2a 3ea 73
    6 4-ClC6H4 1f H 2a 3fa 64
    7 4-CF3C6H4 1g H 2a 3ga 76
    8 2-naphthyl 1h H 2a 3ha 82
    9 4-MeC6H4 1b C6H5 2b 3bb 68
    10 4-MeC6H4 1b 4-MeOC6H4 2c 3bc 77
    11 4-MeC6H4 1b 2-MeOC6H4 2d 3bd 63
    12 4-MeC6H41b 4-FC6H4 2e 3be 71
    13 4-MeC6H4 1b 4-ClC6H4 2f 3bf 65
    14c 4-MeC6H4 1b 3bg 40
    15 4-MeC6H4 1b 3bh 82
    16 4-MeC6H4 1b 3bi 74
    a The mixture of 1 (0.10 mmol), 2 (0.30 mmol), Pd (PPh3)4 (10 mol%), P (n-Bu)3 (100 mol%) was stirred in toluene/(CF3)2CHOH (V/V=35/1, 1.5 mL) at 60 ℃ under N2 for 24 h.bIsolated yields. c toluene/(CF3)2CHOH (V/V=25/1, 1.5 mL) at 80 ℃.
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  • 发布日期:  2017-03-15
  • 收稿日期:  2016-11-10
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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