

Citation: Zhao Yong, Li Shihong, Zhang Miaomiao, Liu Feng. ynthesis of β, γ-Unsaturated Esters and γ-Ketone Esters with Amino Acid Ester-Derived Katritzky Salts[J]. Acta Chimica Sinica, 2019, 77(9): 916-921. doi: 10.6023/A19040121

氨基酸酯Katritzky盐用于β, γ-不饱和酯和γ-酮酯合成的研究
English
ynthesis of β, γ-Unsaturated Esters and γ-Ketone Esters with Amino Acid Ester-Derived Katritzky Salts
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Key words:
- Katritzky salt
- / β, γ-unsaturated ester
- / γ-ketone ester
- / free radical reaction
- / photocatalysis
- / C-N bond activation
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1. 引言
从自然界丰富且廉价易得的原料衍生的自由基前体出发产生烷基自由基, 用于形成新的C—C键的合成方法引起了化学家们的相当大的兴趣[1].而在可见光条件下进行自由基烷基化的方法更是受到广泛关注[2].比如, 利用易得的羧酸脱羧进行自由基烷基化[3], 烷基卤代物脱卤烷基化[4], 有机硼化合物烷基化[5], 有机硅烷基化[6]和草酸盐类烷基化[7]等方法被大量报道.由此产生的自由基前体可以用于构建多种多样的分子, 包括一些结构复杂天然产物的分子.而通过C—N键活化生成烷基自由基在很大程度上仍处在探索中[8].
氨基酸及其衍生物不仅普遍存在于有机分子和天然产物中, 也广泛存在于生物活性物质中[9].通过氨基酸及其衍生物形成稳定且易处理的Katritzky吡啶盐为C—N键断裂形成烷基自由基提供了新的可能, 而Katritzky盐可以很容易的由伯胺一步转化制备[10].然而为了断裂C—N键形成烷基自由基通常需要高温条件[11].
近来, Katritzky盐作为烷基自由基源在温和的条件下进行进一步转化取得了一定的突破.在有限的报道中, Watson等[12]开发了镍催化的烷基胺或(杂)芳甲基胺Katritzky盐和硼酸的交叉偶联反应(Scheme 1a). Glorius等[14a]报道了一种可见光催化的Minisci型反应,此反应在光氧化还原催化剂下进行Katritzky盐的单电子转移还原(E1/2=-0.93 V vs. SCE in DMF [13]),从而生成烷基自由基而参与反应(Scheme 1b). Glorius等[14b]也报道了三组分的Katritzky盐脱氨基苯乙烯型双碳官能团化(Scheme 1c)和通过电子供体-受体复合物(EDA complex)的可见光激发使脂肪族胺脱氨基硼化(Scheme 1d)[14c].同时, Aggarwal等[15a]也报道了类似的EDA复合物脂肪族胺脱氨基硼化(Scheme 1d), 在此工作的基础上进一步报道了C—C键和C—X键形成的反应(Scheme 1e)[15b]. Shi等[16]报道了路易斯碱促进Katritzky盐脱氨基硼化反应(Scheme 1d). Gryko等[17]报道了在有机非金属光催化剂作用下Katritzky盐衍生的烷基自由基的烯基化和炔基化(Scheme 1e).此外, 我们[18a]也报道了在光催化条件下的氨基酸Katritzky盐和异氰的自由基烷基化(Scheme 1f).
图式 1
众所周知, Heck反应是构建碳-碳键最重要的方法, 然而, 由于烷基亲电试剂较难以发生氧化加成且容易发生β-氢消除, 所以限制了其在Heck反应中的应用[19]. 2012年, Oshima等[20]报道了钴催化的烷基卤化物和苯乙烯的Heck-type反应, 为烷基亲电试剂Heck-type反应做出了开创性贡献.此后, 为了拓展烷基亲电试剂在Heck反应中的应用, 更多的通过自由基机理进行的Heck-type反应被报道[21].此类反应烷基底物主要包括烷基羧酸类和烷基卤代物类[22, 23].
另一方面, β, γ-不饱和酯和γ-酮酯都是重要的有机合成中间体, γ-酮酯作为1, 4-二羰基化合物合成方法较多, 而β, γ-不饱和酯的合成报道较少, 一般通过α-卤代酸酯和烯烃在过渡金属催化下进行[24].
尽管有了这些报道, 但进一步的研究合成β, γ-不饱和酯和γ-酮酯仍然非常有价值.受上述进展的启发, 我们认为氨基酸酯Katritzky吡啶盐在光氧化还原催化下可以进行更多的自由基烷基化反应, 在此思路的基础上我们完成了氨基酸酯Katritzky盐和1, 1-二苯乙烯衍生物及芳基烯醇硅醚合成β, γ-不饱和酯及γ-酮酯的反应(Scheme 2).
图式 2
在我们完成此工作的同时, Xiao等[25]发表了光催化C—N键活化脱氨(羰基化)烷基自由基的Heck型反应, 筛选出较昂贵的1, 4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷(DABCO)作为碱, 光催化剂是[Ir(4-Fppy)2(bpy)]PF6.而我们的反应着重于使用便宜易得的无机碱, 筛选出的K2CO3作为碱, Ru(bpy)3Cl2•6H2O作为光催化剂, 我们的反应更侧重于氨基酸的使用开发, 使用各种氨基酸酯Katritzky盐和1, 1-二苯乙烯衍生物及芳基烯醇硅醚反应生成β, γ-不饱和酯和γ-酮酯, 为β, γ-不饱和酯和γ-酮酯的合成提供了新的方法.
2. 结果与讨论
2.1 反应条件优化
我们以1a与2a为底物的反应作为模型反应, 对反应条件进行优化, 对催化剂、溶剂、碱等对反应有重要影响的因素进行考察(表 1).首先, 对催化剂种类的筛选表明Ru(bpy)3Cl2•6H2O收率较高, 为40%(表 1, Entry 4).其次, 在选定Ru(bpy)3Cl2•6H2O作为光催化剂(PC)的条件下, 对溶剂进行了考察, 结果表明N, N-二甲基乙酰胺(DMA)、1, 2-二氯乙烷(DCE)和二氯甲烷(DCM)效果较好(Entries 6~8), 而选用较高收率溶剂组成混合溶剂时收率稍有降低, 故选定DCM作为最优溶剂, 收率62% (Entry 8).接着对碱进行考察, 使用无机碱NaHCO3、Na3PO4、Cs2CO3等时, 收率均有不同程度的降低(Entries 13~18), 有机碱2, 6-二甲基吡啶也不能获得较好收率(Entry 19), 而选用K2CO3时收率提高至65% (Entry 12).在最优条件下(Entry 12), 我们也尝试了用两种染料类光敏剂代替Ru(bpy)3Cl2•6H2O的反应, 结果同样可以得到目标产物, 但收率较用Ru(bpy)3Cl2•6H2O时低(Entries 20, 21).同时, 我们也对反应能否在空气条件下进行感兴趣, 实验表明, 反应依然可以顺利进行, 但较遗憾的是收率有较明显的降低(Entry 22).接着进行控制实验, 在无催化剂或光源时, 均无目标产物生成, 表明在反应中催化剂和光源是不可或缺的(Entries 23, 24).基于上述实验, 筛选出的最优反应条件是: 0.2 mmol的苯丙氨酸甲酯Katritzky盐1a, 0.3 mmol的1, 1-二苯乙烯2a, 0.02 equiv.光催化剂Ru(bpy)3Cl2•6H2O, 0.4 mmol的碱K2CO3和2 mL的DCM, 在日用蓝色LED光照射下室温反应至完全.
表 1
Entry Photocatalyst Solvent Base Yieldb/% 1 fac-Ir(ppy)3 DMF Na2CO3 30 2 [Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)](PF6) DMF Na2CO3 <5 3 [Ir(dtbbpy)2(ppy)2]PF6 DMF Na2CO3 33 4 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DMF Na2CO3 40 5 Ru(bpy)3Cl2•6H2O CH3CN Na2CO3 24 6 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DMA Na2CO3 59 7 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCE Na2CO3 57 8 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Na2CO3 62 9 Ru(bpy)3Cl2•6H2O THF Na2CO3 18 10 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM/DMA (1:1) Na2CO3 53 11 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCE/DMA (1:1) Na2CO3 54 12 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K2CO3 65 13 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM NaHCO3 28 14 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM KHCO3 37 15 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Na3PO4 53 16 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K3PO4 29 17 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Na2HPO4 52 18 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Cs2CO3 43 19 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM 2, 6-Lutidine 30 20 Eosin Y DCM K2CO3 37 21 Mes-Acr+ClO4- DCM K2CO3 41 22c Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K2CO3 49 23 without PC DCM K2CO3 0 24d Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K2CO3 0 a Reaction conditions: 1a (0.2 mmol), 2a (0.3 mmol), PC (2 mol%), base (0.4 mmol), solvent (2 mL), irradiation with household blue LEDs (22 W), at room temperature. b Isolated yields. c In air atmosphere. d In the dark. 2.2 反应底物拓展
在筛选出最优条件的基础上(表 1, Entry 12), 对反应底物进行了考察.
首先, 考察了1, 1-二苯乙烯和一系列的氨基酸甲酯Katritzky盐的反应, 全部底物均能以中等及偏上的收率得到目标产物(表 2).大部分脂肪链氨基酸甲酯Katritzky盐的收率在46%~57% (3b~3g), 而异亮氨酸甲酯Katritzky盐则得到1.2:1的非对映异构体产物(3e), 苯丙氨酸甲酯Katritzky盐及其衍生物收率稍高, 对氯苯丙氨酸甲酯Katritzky盐收率为62% (3h), 对羟基苯丙氨酸甲酯Katritzky盐收率为61% (3i), 显示出较强的官能团兼容性, 而供电子基对甲氧基苯丙氨酸甲酯Katritzky盐收率为68% (3j).
表 2
表 2 1, 1-二苯乙烯(2a)和不同的氨基酸甲酯Katritzky盐的反应a, bTable 2. Reactions of 1, 1-diphenylethylene (2a) with various Katritzky salts接着考察了苯丙氨酸甲酯Katritzky盐和一系列苯乙烯衍生物的反应(表 3).带有强吸电子基的4, 4'-二氟- 1, 1-二苯乙烯以中等偏上收率给出目标产物(4a), 而供电子的4, 4'-二取代-1, 1-二苯乙烯以较高收率给出目标产物(4b~4d), 具有并环结构的1, 1-二苯乙烯也以高收率给出目标产物(4e, 4f).此后, 我们尝试了末端取代的1, 1-二苯乙烯, 反应收率稍差(4g).除1, 1-二苯乙烯外, 我们尝试以α-甲基苯乙烯为底物, 比较遗憾的是仅以较低收率得到了端烯和内烯(4h, t:i=3:1)的混合物.为了验证反应的可放大性, 我们以克量级放大反应, 反应收率不但没有降低, 反而更是以91%的高收率得到目标产物4d.
表 3
表 3 苯丙氨基酸甲酯Katritzky盐和各种苯乙烯的反应a, bTable 3. Reactions of Katritzky salts with various 1, 1-diphenylethylene为了进一步考察氨基酸酯Katritzky盐的底物适用性, 选择其与芳基烯醇硅醚反应(表 4), 而芳基烯醇硅醚很容易的由芳基乙酮制备.令人欣慰的是苯基烯醇硅醚以82%的收率给出目标产物(6a), 当苯环对位有吸电子或供电子取代基时, 均能获得良好的收率(6b~6d), 而当邻位有取代基时, 不管是电子效应还是位阻效应均对产率无明显影响(6e, 6f), 间位氯亦能获得较高产率(6g), 芳环各种位置取代卤素为产物进一步转化提供了可能.此外, 联苯基烯醇硅醚给出了78%的产率(6h), 而萘基烯醇硅醚更是给出了87%的收率(6i).表明了芳基烯醇硅醚良好的底物普适性.
表 4
表 4 苯丙氨基酸甲酯Katritzky盐和芳基烯醇硅醚的反应a, bTable 4. Reactions of Katritzky salts with aryl enol silyl ether2.3 机理实验
在以前的工作中, 已经通过多种试验证实了在光氧化还原条件下氨基酸Katritzky盐是通过自由基机理进行烷基化反应的[18].控制实验也证明了光和催化剂的重要性(表 1, Entries 23, 24).为了进一步验证β, γ-不饱和酯和γ-酮酯的合成也是自由基机理, 我们进行了自由基捕获实验, 当加入2.0 equiv.的自由基捕获剂TEMPO时, 亦无目标产物生成, 取而代之得到了被HRMS和NMR证实的TEMPO捕获产物(Scheme 3).证实了该反应很可能是自由基历程.
图式 3
3. 结论
在日用LED蓝光照射下, 由原料丰富、廉价易得的氨基酸衍生的Katritzky盐作为自由基前体, 以较好的收率合成了一系列的β, γ-不饱和酯和γ-酮酯, 该方法反应条件温和, 操作简单, 官能团兼容性良好, 所得的产物可进一步转化.为一系列的β, γ-不饱和酯和γ-酮酯的合成提供了新思路.
4. 实验部分
向10 mL干燥的Schlenk管中依次加入1 (0.20 mmol), 2或5 (0.30 mmol), K2CO3 (55.2 mg, 0.40 mmol)和Ru(bpy)3Cl2•6H2O (3.0 mg, 0.0040 mmol).反应体系抽真空后, 向其中置换入氩气, 反复操作三次, 注射器加入DCM (2 mL), 反应体系在22 W blue LEDs照射下搅拌反应, TLC检测至原料1消失.减压蒸除溶剂, 所得到的粗产物经柱层析纯化得到目标化合物3, 4或6.
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For selected examples with alkyl halides, see: (a) Xiong, H.; Li, Y.; Qian, B.; Wei, R.; Van der Eycken, E. V.; Bao, H. Org. Lett., 2019, 21, 776; (b) Kurandina, D.; Rivas, M.; Radzhabov, M.; Gevorgyan, V. Org. Lett. 2018, 20, 357; (c) Wang, G.-Z.; Shang, R.; Cheng, W.-M.; Fu, Y. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18307; (d) Kurandina, D.; Parasram, M.; Gevorgyan, V. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 14212; (e) Liu, W.; Li, L.; Chen, Z.; Li, C.-J. Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 6170; (f) Weiss, M. E.; Kreis, L. M.; Lauber, A.; Carreira, E. M. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 11125; (g) Affo, W. H.; Fujioka, T.; Ikeda, Y.; Nakamura, T.; Yorimitsu, H.; Oshima, K.; Imamura, Y.; Mizuta, T.; Miyoshi, K. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 8068; (h) Na, Y. G.; Park, S. Y.; Han, S. B.; Han, H.; Ko, S. W.; Chang, S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 250.
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[24]
(a) Liu, C.; Tang, S.; Liu, D.; Yuan, J.; Zheng, L.; Meng, L.; Lei, A.-W. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 3638; (b) Nishikata, T.; Noda, Y.; Fujimoto, R.; Sakashita, T. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16372; (c) Liu, Q.; Yi, H.; Liu, J.; Yang, Y.-H.; Zhang, X.; Zeng, Z.-Q.; Lei, A.-W. Chem. Eur. J. 2013, 19, 5120.
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[25]
Jiang, X.; Zhang, M.-M.; Xiong, W.; Lu, L.-Q.; Xiao, W.-J. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 2402. doi: 10.1002/anie.201813689
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表 1 反应条件优化a
Table 1. Optimization of reaction condition
Entry Photocatalyst Solvent Base Yieldb/% 1 fac-Ir(ppy)3 DMF Na2CO3 30 2 [Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)](PF6) DMF Na2CO3 <5 3 [Ir(dtbbpy)2(ppy)2]PF6 DMF Na2CO3 33 4 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DMF Na2CO3 40 5 Ru(bpy)3Cl2•6H2O CH3CN Na2CO3 24 6 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DMA Na2CO3 59 7 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCE Na2CO3 57 8 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Na2CO3 62 9 Ru(bpy)3Cl2•6H2O THF Na2CO3 18 10 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM/DMA (1:1) Na2CO3 53 11 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCE/DMA (1:1) Na2CO3 54 12 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K2CO3 65 13 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM NaHCO3 28 14 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM KHCO3 37 15 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Na3PO4 53 16 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K3PO4 29 17 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Na2HPO4 52 18 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM Cs2CO3 43 19 Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM 2, 6-Lutidine 30 20 Eosin Y DCM K2CO3 37 21 Mes-Acr+ClO4- DCM K2CO3 41 22c Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K2CO3 49 23 without PC DCM K2CO3 0 24d Ru(bpy)3Cl2•6H2O DCM K2CO3 0 a Reaction conditions: 1a (0.2 mmol), 2a (0.3 mmol), PC (2 mol%), base (0.4 mmol), solvent (2 mL), irradiation with household blue LEDs (22 W), at room temperature. b Isolated yields. c In air atmosphere. d In the dark. 表 2 1, 1-二苯乙烯(2a)和不同的氨基酸甲酯Katritzky盐的反应a, b
Table 2. Reactions of 1, 1-diphenylethylene (2a) with various Katritzky salts
表 3 苯丙氨基酸甲酯Katritzky盐和各种苯乙烯的反应a, b
Table 3. Reactions of Katritzky salts with various 1, 1-diphenylethylene
表 4 苯丙氨基酸甲酯Katritzky盐和芳基烯醇硅醚的反应a, b
Table 4. Reactions of Katritzky salts with aryl enol silyl ether
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