Angew:​有“Ni”有“光”,烷基卤轻松变酰氯

2023-01-04
摘要:加拿大麦克吉尔大学Bruce. A. Arndtsen课题组报道了一种可见光驱动的镍羰基化催化剂的开发,该催化剂能够在室温的蓝光照射下活化烷基卤化物以进行羰基化,并通过还原消除后获得相应的酰氯产物

近日,加拿大麦克吉尔大学Bruce. A. Arndtsen课题组报道了一种可见光驱动的镍羰基化催化剂的开发。其中,大咬角Xantphos配体与镍(0)的组合可生成一种高效的催化剂,该催化剂能够在室温的蓝光照射下活化烷基卤化物以进行羰基化,并通过还原消除后获得相应的酰氯产物。与经典的羰基化不同,一氧化碳的配位抑制了镍催化剂的反应性,而在该策略中与CO相关的镍是反应中的活性催化剂。此外,酰氯可与亲核试剂进一步进行加成反应,合成了一系列酰胺、酯和硫酯衍生物。文章链接DOI:10.1002/anie.202213297



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(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
金属催化的羰基化反应是合成含有羰基化合物的最有效方法之一,而羰基化偶联反应可直接从一氧化碳和其它稳定试剂中形成各种酰胺、酯及其相关产物。尽管镍催化的相关交叉偶联反应已取得了一定地进展,但大多数羰基化偶联反应仍然依赖于贵金属钯催化体系。镍对一氧化碳的相对高亲和力可抑制这些催化剂的羰基化反应,需要克服高温,即使如此,通常也只能使用相对活化的芳基卤化物底物(Figure 1a)。近年来,镍催化的羰基化反应已取得一定的进展,并且化学家们发现,配体设计可用于抑制在酮合成中CO的配位。然而,后者涉及另一种Ni(II)机理,该机理涉及在电子转移步骤中形成富电子的有机-Ni(Ⅱ)中间体,因此通常仅适用于合成酮类化合物。最近,化学家研究表明,其它廉价的金属也可用于羰基化偶联反应,包括具有挑战性的烷基卤化物(Figure 1b)。除了金属之外,钯催化羰基化偶联反应通常限于使用反应性C(sp2)-卤化物和/或简单的亲核试剂。这可归因于CO与钯的配位抑制了反应,以及需要强配位的亲核试剂以允许产物的还原消除。
最近,化学家们发现,活性钯催化剂的可见光激发可以提供一种途径用来解决羰基化反应中存在的多种问题(Figure 1c)。在一氧化碳存在下,Pd(0)的光解可诱导一系列底物进行快速氧化加成,而Pd(II)的光激发有利于酰氯亲电试剂的还原消除。因此,若将上述两个步骤的结合,可实现一种光驱动的催化循环,并作为一种进行羰基化的通用方法。近日,加拿大麦克吉尔大学Bruce. A. Arndtsen课题组报道了一种利用可见光激发实现镍(0)催化剂的活化,并进行相应的羰基化反应(Figure 1d)。其中,一氧化碳在体系中不具有抑制作用,相反,一氧化碳连接的Ni(0)是反应的有效催化剂。一系列烷基卤在上述体系下,均可顺利进行羰基化反应,生成反应性酰氯亲电试剂。酰氯亲电试剂可与亲核试剂反应,生成一系列酰胺、酯和硫酯衍生物。
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(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
首先,作者以正丁基碘、CO(4 atm)与Bu4NCl作为模型底物,进行了相关反应条件的筛选(Figure 2a)。当以Ni(COD)2作为催化剂,Xantphos作为配体,40 W蓝色LED作为光源,在苯溶剂中室温反应24 h,可以31%的收率得到酰氯产物1a。同时,作者通过Ni(COD)2、Xantphos与CO,合成了一种Ni催化剂XantphosNi(CO)22),收率为80%,其为一种空气稳定的固体,作者还通过单晶对其进行了结构表征(Figure 2b)。此外,当以正丁基碘、CO(4 atm)与BnPh3PCl作为底物,XantphosNi(CO)22)作为催化剂,40 W蓝色LED作为光源,在苯溶剂中室温反应24 h,可以99%的收率得到酰氯产物1aFigure 2c)。
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(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
在获得上述最佳反应条件后,作者对烷基卤的底物范围进行了扩展(Figure 3)。首先,一系列不同取代的烷基碘,均可顺利进行反应,获得相应的产物1a-1y,收率为29-98%。值得注意的是,该反应具有出色的官能团兼容性。其次,一系列不同取代的烷基溴,也能够顺利进行反应,获得相应的产物1z1aa-1bb,收率为21-75%。
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随后,作者通过将羰基化与加成反应相结合,分别合成了一系列酰胺、酯和硫酯衍生物,如4a-4n,收率为34-98%(Figure 4)。其中,一些生物活性分子,如phytosteroid diosgenin(4f)与埃卡瑞丁(icaridin,4k),也与体系兼容。
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(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.
此外,作者还对反应机理进行了进一步的研究(Figure 5)。首先,通过原位1H和31P NMR分析监测表明,配合物2由Ni(COD)2/Xantphos快速生成的,并且是整个转化过程中的主要催化剂静止状态(Figure 5A)。UV/Vis分析表明,配合物2能够吸收可见光谱中蓝色区域的光,并且也具有微弱的发射性,与之前的(PPh3)2Ni(CO)2报告类似(Inorg. Chem. Commun. 20003. 143.)。其次,在XantphosNi(CO)2与PhCH2CH2I的反应体系中加入TEMPO时,可获得定量收率的TEMPO加合物(Figure 5B)。在没有镍配合物或无光的条件下,均未发生反应,从而表明蓝光和镍配合物2的组合对于烷基碘化物的活化是必需的。同时,在XantphosNi(CO)2与酰氯的反应体系中加入TEMPO时,也未能进行相关的反应(Figure 5C)。当在蓝色LED照射下时,可获得60%收率的酰基-TEMPO自由基捕获产物,从而表明反应可发生从镍到酰氯产物的电子转移,但其对于缺电子镍配合物2的整体加成是不利的。
基于上述的讨论,作者提出了一种合理的催化循环过程(Figure 5D)。其中,在镍催化剂存在下,光激发导致烷基卤化物活化,形成烷基自由基。随后,CO对该烷基自由基进行捕获,生成Ni(II)中间体。Ni(II)中间体经还原消除后,可获得酰氯产物。此外,镍催化剂2的高还原消除倾向可以通过在没有氯离子的情况下监测催化反应而清楚地看到,这导致酰基碘的积累,收率高达33%(Figure 5E)。酰基碘是比酰基氯化物更有效的亲电试剂。
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(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


加拿大麦克吉尔大学Bruce. A. Arndtsen课题组发现可见光激发可作为活化镍(0)催化剂进行羰基化化学的一种有效的途径。同时,利用该策略可通过烷基碘化物或活化的烷基溴化物合成亲电的酰氯衍生物,可与亲核试剂进一步的反应,从而获得一系列酯、硫酯和酰胺产物。此外,考虑到第10族金属在催化中的广泛应用,用光活化镍(0)体系的能力是一种有用的工具,可用于与镍催化剂进行偶联反应。


文献详情:

Kristian El Chami, Yi Liu, Mohammed Amin Belahouane, Yiyang, Ma, Pierre-Louis Lagueux-Tremblay, Bruce. A. Arndtsen*. A Visible Light Driven Nickel Carbonylation Catalyst: The Synthesis of Acid Chlorides from Alkyl Halides. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, https://doi.org/10.1002/anie.202213297






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