JACS：铑-卡拜催化合成环丙烯阳离子

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JACS：铑-卡拜催化合成环丙烯阳离子

来源：化学加网原创 2022-09-18

导读：近日，西班牙巴塞罗那科学技术学院（The Barcelona Institute of Science and Technology）Marcos G. Suero课题组首次利用简单易得炔烃和高价碘试剂作为卡拜源，在铑催化下一步实现了CPCs（cyclopropenium cations，环丙烯阳离子）的制备。该反应不需要在手套箱里操作，且具有较宽的底物范围，实现了一系列新型酯基取代CPCs的合成。值得注意的是，其还可以与多种不同类型亲核试剂（C、N、O、P、S）反应，实现具有较大应用价值的环丙烯衍生物的合成。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章链接DOI：10.1021/jacs.2c07769。

正文

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

环丙烯阳离子(CPCs)是由Ronald Breslow教授在20世纪50年代末发现的，其是Hückel芳香体系中最小的成员。此类具有两个π电子的芳香阳离子在三个2p轨道上发生离域，具有一定的热力学稳定性和分子张力（Figure 1A）。最近，具有较高稳定性的三(二烷基氨基)CPC衍生物可以作为电光催化剂，基因传递剂，非水氧化还原电池的阴极电解质或液晶来使用。尽管CPCs可以作为三碳合成子在构建复杂分子结构方面具有较大的应用潜力，但其在有机合成方面的应用还未得到充分的重视。

其中一个主要原因是在20世纪50年代至80年代所开发的大多数CPCs合成策略均需要多步合成，因此在合成效率上存在一定局限性。此外，基于炔烃与氯卡宾或阳离子金属-卡拜[(η⁵-C₅H₅)(CO)₂Mn≡CPh]⁺的官能团化反应也是一种合成策略，但其底物适用范围非常有限（仅报道两个例子）。并且不对称的CPCs在亲核反应中可能具有较差的区域选择性。如Padwa课题组报道的CPCs与格氏试剂反应得到两种区域异构体的混合物。基于此，最近西班牙巴塞罗那科学技术学院Marcos G. Suero课题组利用简单易得炔烃和高价碘试剂作为形式上的阳离子卡拜源，在铑催化下一步实现CPCs的制备。该反应具有较宽的底物范围，实现了一种新型酯基取代CPCs的合成。值得注意的是，其还可以与多种亲核试剂反应，实现具有较大应用价值的环丙烯衍生物的合成（Figure 1B）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于作者课题组使用高价碘试剂作为卡拜合成子实现合成转化的兴趣，作者认为利用Rh₂(esp)₂可以获得铑-卡拜中间体(int-1)，这是一种新型的酯基取代的铑卡宾物种。作者认为此物种可以被炔捕获得到环丙烯基I⁽^III)中间体(int-2)。最后通过离子化过程使I⁽^III)离去得到酯基取代的CPCs（Figure 2）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者首先利用内炔1a和高价碘试剂2a作为模板底物进行条件优化，发现当使用1 mol% Rh₂(esp)₂催化，在二氯甲烷中-60 ^oC反应50分钟后，加入1,3,5-三甲氧基苯作为亲核试剂反应10分钟可以以94%的产率（>20:1 r.r.）得到产物3a*（Table 1）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者对此反应中炔烃1的底物范围进行了考察（Table 2）。实验结果表明反应可以在1中苯环的邻、间、对位兼容卤素(3b-3e, 3l-3n)、乙酰氧基(3f)、苯基(3g)、三氟甲基(3h)、酯基(3i)、烯烃(3j)、甲基(3k)等官能团。此外，萘(3o, 3p)和其它杂环骨架(3q*)也可以兼容。其它的一级烷基，如乙基(3r)、仲丁基(3s)、氯烷基(3t*, 3u)、苄基(3v*)以及保护的胺(3w*)或醇(3x*, 3y)官能团化的烷基均可很好的兼容。二级烷基取代基，如异丙基(3z)（需要增加催化剂和炔的量）、环丙基(3aa)、环丁基(3ab)和环己基(3ac*)等均可兼容。而含有三级烷基（叔丁基、三甲基硅基）的炔参与反应只能得到痕量CPCs产物。遗憾的是，二苯乙炔在此反应中无活性，而利用端炔反应则得到难以区分的混合物。此外，作者证实不同酯基取代的高价碘试剂均可兼容得到相应的产物3aj-3al, 3am*。值得注意的是，此反应可以以克级规模实现3a和3ad的制备，证明了此转化的实用性。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

接下来，作者尝试将合成出的环丙烯阳离子与一系列亲核试剂反应来实现多取代环丙烯的合成。实验结果表明，商业可得的芳基、烷基、烯基、炔基格氏试剂均可以作为碳亲核试剂与环丙烯阳离子反应以单一异构体得到环丙烯4-19。此外，硼酸、有机锌试剂、有机硅试剂、羰基以及异氰也可以作为亲核试剂实现环丙烯20-26的合成，并且大部分的例子不需要利用色谱柱分离就可以得到相应的环丙烯产物。值得注意的是，此方法为复杂环丙烯骨架的合成提供了新的途径，从而解决了金属催化卡宾与重氮乙酸酯向内炔转移过程中遇到的挑战。即烷基或烯丙基取代的金属卡宾在与内炔发生环丙烯化之前，经历快速的β-H消除过程或分子内环丙烷化过程（Table 3A）。除了碳亲核试剂之外，一系列杂原子（N、O、P、S）亲核试剂同样可以实现此类转化，以较高的效率得到相应的四取代环丙烯产物27-37。而由于缺少杂原子取代的重氮乙酸乙酯或其它可替代的卡宾源，目前还没有其它反应能实现此类四取代环丙烯的合成（Table 3B）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，为了解释CPCs3在亲核加成中所观察到的区域选择性，作者在ωb97xd/6-31G(d)水平上使用SPARTAN 20对其几何构型优化和LUMO图进行计算（Figure 3）。结果表明酯基取代的碳原子在环丙烯阳离子中的LUMO系数最高，表明亲核试剂进攻是在轨道控制下发生的。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结

西班牙巴塞罗那科学技术学院Marcos G. Suero课题组利用简单易得炔烃和高价碘试剂作为形式上的阳离子卡拜源，在铑催化下一步实现CPCs的制备。该反应不需要在手套箱里操作，且具有较宽的底物范围，实现了新型酯基取代CPCs的合成。值得注意的是，其还可以与多种亲核试剂（C、N、O、P、S）反应，实现具有较大应用价值的环丙烯衍生物的合成。

文献详情：

Hang-Fei Tu, Aliénor Jeandin, Marcos G. Suero*, Catalytic Synthesis of Cyclopropenium Cations with Rh-Carbynoids. J. Am. Chem. Soc.2022, https://doi.org/10.1021/jacs.2c07769

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