可见光诱导通过Co(III) -H介导的H/D交换烯烃直接氘化

摘要:作者开发了一种基于Co(III) -H中间体可逆H/D交换策略的可见光促进烯烃直接氘化反应。这种操作简单且具有成本效益的方案可作为各种烯烃的通用和实用方法,并可使后期氘与结构复杂的分子结合

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C-H键与氘源的直接H/D交换是标记中最直接和最经济的策略,这在分子追踪和药物研究中非常重要。由于C-H键的热稳定性,通常需要能够可逆和易于C-H活化的催化系统来促进直接的H/D交换。四配位平面钴氢化物(Co(III) -H)是化学和能量转化过程中的多功能催化中间体,如氢气解离(Scheme 1Path A)和烯烃的氢化(Scheme 1Path B)。近年来,平面Co(III)-H催化在光氧化还原和电化学条件下进一步发展为烯烃异构化和烯丙基脱氢烷基化反应。在这些过程中,作者观察到原位生成的Co(III) -H物种会与烯烃发生快速可逆的加成-消去过程,这是一个尚未开发的显著特征。另一方面,Co(III) -H也具有足够的酸性,可以进行容易的质子交换,由于Co(I)充满d8电子构型(Scheme I, Path C), pKa(Co -H) = 10~14。在此基础上,我们设想Co(III) -H结合其可逆的烯烃加成和酸性(Scheme 1, II),可能介导烯烃C-H键与D2O等氘源的选择性H/D交换。在本文中,作者报道了一种可见光光化学方法,涉及平面Co(III) -H,可以使广泛的烯烃(包括末端烯烃和内部烯烃)与现成的氘源进行选择性H/D交换(Scheme 1, II)

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作者首先进行了条件优化,以1a作为模板底物,以重水作为氘源进行模板反应。引入3aIr(ppy)2dtbbpyPF6 作为H/D交换催化剂和光氧化还原催化剂,DIPEA作为碱。经过优化后可以得到99%分离收率,97%氘代率的产物2a。在烯丙基和乙烯基的位置均进行了氘代。

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在获得最佳反应条件后,作者考察了反应的底物范围(Scheme 2)。邻萘基取代和邻甲基取代的2q2r底物由于位阻原因,氘代率较低。对于吡咯烷酮底物2v氘代率也较低。对于其他底物均有不错的收率和氘代率。

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使用α取代苯乙烯时,观察到烯烃和烯丙基位置均被氘代,使用3d为催化剂4-取代亚甲基环己烷作为底物,生成单氘代异构化产物。对于包含烯烃的天然产物也可获得相应的产物。

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接下来作者进行了克级反应,在减少催化剂负载的情况下,可以得到较好的反应结果。此外,克级反应中的中水可以回收以进行下一个反应。

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接下来作者进行了控制实验以阐明反应机理。首先,在条件C下对1bf进行反应,得到相应的开环产物2bf,说明该反应时通过自由基机理进行的(Scheme 5, I)。在催化条件下,只观察到微量氢气,这表明,在基本条件下,正常观察到的通过Co(III) -H的析氢在很大程度上受到了抑制(Scheme 5, II)。使用烷基钴3e,能够原位生成Co(III) -H,也被发现可以促进H/D交换,尽管不如光还原体系有效。在本例中,通过增加DIPEA的量或使用三乙基二胺(DABCO)作为碱基(Scheme 5, II )可以得到更好的结果,这表明[Ir]/DIPEA的光氧化还原体系既负责Co(III) -H的生成,也负责后续的质子交换。光开关实验表明,在没有光的情况下,氘化过程完全被抑制,说明后续可逆的加成-消除过程存在光催化作用(Scheme 5,III)

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最后作者提出了可能的反应机理(Scheme 6),铱催化剂与DIPEA形成了一个光还原体系,通过质子和电子转移过程生成关键的Co(III)-H物种,荧光淬灭实验表明[Ir(III)]*主要遵循与3a的氧化淬灭过程。随后Co(III)-H与氘源进行H/D交换,随后与烯烃1发生迁移插入,生成单氘代烷基钴物种A,该中间体容易进行光诱导均裂和氢自由基攫取,生成氘代产物,并再生Co(III)-H物种。随后重复的该过程可以产生所需的氘代产物2
总之,作者开发了一种基于Co(III) -H中间体可逆H/D交换策略的可见光促进烯烃直接氘化反应。这种操作简单且具有成本效益的方案可作为各种烯烃的通用和实用方法,并可使后期氘与结构复杂的分子结合。此外,目前的策略是方便和易于扩大规模,并将加速新的氘化化合物的结构,用于药物发现

DOI:10.31635/ccschem.022.202202476


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