氮雜環(huán)丙烷[3+2]環(huán)加成反應(yīng)研究進(jìn)展

任鴻，胡寶祥

(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014)

氮雜環(huán)丙烷[3+2]環(huán)加成反應(yīng)研究進(jìn)展

任鴻，胡寶祥

(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014)

介紹了最近幾年在不同催化體系下，氮雜環(huán)丙烷與含雙鍵化合物的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)研究進(jìn)展。

氮雜環(huán)丙烷；[3+2]環(huán)加成；綜述

氮雜環(huán)丙烷是一類(lèi)含氮原子的三元雜環(huán)化合物，由于該三元環(huán)的張力極高，導(dǎo)致其具有較強(qiáng)的反應(yīng)活性，因而在有機(jī)合成中，基于氮雜環(huán)丙烷開(kāi)環(huán)反應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛[1]。

如式1所示，氮雜環(huán)丙烷在加熱或光輻射等條件下，易發(fā)生C-C鍵的斷裂，將環(huán)打開(kāi)，形成亞甲胺內(nèi)钅翁鹽，然后參與1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)，生成含氮五元雜環(huán)。另一方面，在路易斯酸作用下，氮雜環(huán)丙烷則發(fā)生C-N鍵的斷裂，與烯烴、炔烴、醛、腈類(lèi)和聯(lián)烯等含重鍵的化合物發(fā)生[3+2]環(huán)加成反應(yīng)，生成另一種構(gòu)型的含氮五元雜環(huán)[2]。

式1氮雜環(huán)丙烷參與的[3+2]開(kāi)環(huán)加成反應(yīng)

1 氮雜環(huán)丙烷與烯烴類(lèi)化合物的反應(yīng)

Yadav等人[3]報(bào)導(dǎo)了Sc（OTf）3可以作為路易斯酸催化N-對(duì)甲苯磺?；蓟s環(huán)丙烷得到1,3-二偶極體。當(dāng)與環(huán)烯醚反應(yīng)時(shí)，可以得到相應(yīng)的吡咯烷，并且具有較高的收率和區(qū)域選擇性（式2）。

式2 Sc（OTf）3催化氮雜環(huán)丙烷與烯烴的反應(yīng)

2011年，Aggarwal等人[4]報(bào)導(dǎo)了應(yīng)用于合成紅藻氨酸的具有手性中心的吡咯烷類(lèi)化合物的手性合成，如式3。

式3鈀催化氮雜環(huán)丙烷的環(huán)加成反應(yīng)

2 氮雜環(huán)丙烷與炔烴類(lèi)化合物的反應(yīng)

在與炔烴的[3+2]反應(yīng)中，許多路易斯酸都能催化該反應(yīng)的進(jìn)行[5]。一系列的芳基炔烴（式4）都能在FeCl3催化下與芳基氮雜環(huán)丙烷反應(yīng)，得到官能團(tuán)化的吡咯類(lèi)化合物。

式4 FeCl3催化氮雜環(huán)丙烷與炔烴的反應(yīng)

3 氮雜環(huán)丙烷與腈類(lèi)化合物的反應(yīng)

N-對(duì)甲苯磺?；s環(huán)丙烷與腈類(lèi)化合物的[3+2]環(huán)合反應(yīng)通常涉及到C-N鍵的斷裂。在對(duì)這類(lèi)反應(yīng)的研究中，主要是關(guān)于催化劑的探索，研究發(fā)現(xiàn)，一系列的路易斯酸，比如BF3·OEt2[6-11,13]，ZnX2（X=Cl，Br，I）[12]，Zn（OTf）2[13]，Sc（OTf）3[14]，Bi（OTf）3[15]和Cu（OTf）2[16]都能應(yīng)用于該反應(yīng)。

2005年，Yadav等人[10]利用TBDPS取代的氮雜環(huán)丙烷，在BF3·OEt2催化下與氰基發(fā)生[3+2]環(huán)加成反應(yīng)（式5）。

2011年，Wei等人[15]以Bi（OTf）3為催化劑，催化N-對(duì)甲苯磺酰基氮雜環(huán)丙烷和一系列腈類(lèi)化合物之間的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)，得到相應(yīng)的咪唑啉，如式6。該方法同樣適用于稠環(huán)芳烴氮雜環(huán)丙烷。

式5 BF3·OEt2催化氮雜環(huán)丙烷與氰基的反應(yīng)

式6 Bi（OTf）3催化氮雜環(huán)丙烷與腈類(lèi)化合物的反應(yīng)

4 氮雜環(huán)丙烷與含羰基類(lèi)化合物的反應(yīng)

傳統(tǒng)的合成1,3-惡唑烷衍生物的方法都是從1,2-氨基醇和含羰基類(lèi)化合物出發(fā)，在較高的溫度下進(jìn)行。并且該方法對(duì)底物限制較大，同時(shí)副反應(yīng)較多。因而越來(lái)越多的人開(kāi)始對(duì)由路易斯酸催化氮雜環(huán)丙烷與含羰基化合物反應(yīng)的研究產(chǎn)生了興趣。但到目前為止，對(duì)于催化該反應(yīng)的路易斯酸催化劑報(bào)導(dǎo)還比較少，只有BF3·OEt2[10]，Cu（OTf）2[16]，Zn（OTf）2[13]，Sc（OTf）3[17]和AgSbF6[18]。

叔丁基二苯基硅烷基取代的氮雜環(huán)丙烷在BF3·OEt2催化下，也可以與醛發(fā)生[3+2]環(huán)加成反應(yīng)[10]。該反應(yīng)在溫和的條件能快速進(jìn)行，并且適用于芳香族和脂肪族醛，反應(yīng)都有較高的收率，如式7。

式7 BF3·OEt2催化氮雜環(huán)丙烷與醛的反應(yīng)

2009年，Nguyen等[17]以Sc（OTf）3為催化劑，將2-烷基-N-對(duì)甲苯磺酰基氮雜環(huán)丙烷與醛或者酮反應(yīng)，得到了5-烷基-1,3-惡唑烷，如式8。

式8 Sc（OTf）3催化氮雜環(huán)丙烷與醛或酮的反應(yīng)

2011年，Hanamoto等[18]開(kāi)發(fā)了AgSbF6作為氮雜環(huán)丙烷與醛的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)催化劑，如式9。

式9 AgSbF6催化氮雜環(huán)丙烷與醛的反應(yīng)

5 氮雜環(huán)丙烷與CO2的反應(yīng)

惡唑酮作為經(jīng)典的雜環(huán)化合物，廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成及具有生物活性化合物的合成上面。而過(guò)去十年，CO2作為碳源研究的快速發(fā)展，吸引了越來(lái)越多來(lái)自有機(jī)合成及化工行業(yè)的興趣。到目前為止，報(bào)導(dǎo)的催化體系有堿金屬鹵化物[19-24]，四烷基季銨鹽鹵化物[20]，DBN[33]，碘[24-28]，自然存在的氨基酸[29]，Cr（III）/DMAP[30]，氯氧化鋯[31]，聚乙二醇修飾的季銨鹽[32]，氨基酸修飾的聚苯乙烯[33]，聚乙二醇修飾的季鹽[34]和離子液體[35-36]等。

2011年，Liu等[24]以DBN作催化劑，Li為助催化劑，成功合成了N-官能團(tuán)化2-惡唑酮，并推測(cè)了如式10所示反應(yīng)機(jī)理：首先DBN固定CO2，得到中間體a，再與氮雜環(huán)丙烷反應(yīng)得到中間體b；然后在LiI催化下環(huán)打開(kāi)，并經(jīng)由分子內(nèi)環(huán)化得到目標(biāo)產(chǎn)物，并有較高的收率。

式10 DBN催化氮雜環(huán)丙烷與CO2的反應(yīng)及其機(jī)理

2010年，Jiang等[29]也報(bào)道了在無(wú)溶劑、催化劑的條件下，通過(guò)天然的α-氨基酸催化將CO2成功插入到氮雜環(huán)丙烷中，如式11。對(duì)于這類(lèi)反應(yīng)，幾乎所有自然存在的α-氨基酸（例如，L-組氨酸）都是有效的催化劑。

式11α-氨基酸催化氮雜環(huán)丙烷與CO2的反應(yīng)

2010年，He等[35]首次報(bào)道了在無(wú)溶劑下，Lewis堿的離子液體催化氮雜環(huán)丙烷與CO2的反應(yīng)，合成5-芳基惡唑酮，如式12。

式12離子液體催化氮雜環(huán)丙烷與CO2的反應(yīng)

2010年，Pinhas等[37]利用高速球磨技術(shù)（HSBM），在無(wú)溶劑和無(wú)催化劑條件下，在室溫條件下就能使2-烷基或2-芳基氮雜環(huán)丙烷與CO2發(fā)生環(huán)加成反應(yīng)，如式13。

式13無(wú)溶劑條件下氮雜環(huán)丙烷與CO2的反應(yīng)

6 氮雜環(huán)丙烷與雜聯(lián)烯類(lèi)化合物的反應(yīng)

2008年，Hou等[38]以三丁基膦為催化劑，催化N-對(duì)甲苯磺酰基氮雜環(huán)丙烷與二硫化碳及異硫氰酸酯的環(huán)加成反應(yīng)，得到1,3-四氫噻唑衍生物，該化合物被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成及藥物化學(xué)領(lǐng)域，如式14。

式14三丁基膦催化氮雜環(huán)丙烷與CS2或異硫氰酸酯的反應(yīng)

2013年，Tharmalingam等[39]以水為溶劑，硝酸鐵為催化劑，催化氮雜環(huán)丙烷與異硫氰酸酯、異氰酸酯及異硒氰酸酯的環(huán)加成反應(yīng)，如式15所示。

式15 Fe（NO3）3催化氮雜環(huán)丙烷與異硒氰酸酯的反應(yīng)

7 結(jié)語(yǔ)

氮雜環(huán)丙烷參與的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)在合成含氮五元雜環(huán)化合物中具有重要作用。隨著人們對(duì)其研究的深入，開(kāi)發(fā)了一系列催化劑并應(yīng)用于該反應(yīng)中，使其在有機(jī)合成、藥物和生物等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在今后的研究中，重點(diǎn)仍在開(kāi)發(fā)出更多高效新型的催化劑，以在溫和的反應(yīng)條件中進(jìn)行，并且具有更廣的底物適用性。

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The Research Progress in the[3+2]Cycloaddition of Azirdines

REN Hong,HU Bao-Xiang
(College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang 310014，China)

The research of the[3+2]cycloaddition of azirdines and compounds with double bond,for instance,alkene,alkyne,aldehyde and carbon dioxide,was reviewed.The developing prospects was also discussed．

azirdines;[3+2]cycloaddition;research progress

1006-4184（2015）1-0022-07

2014-04-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：20876149）。

任鴻（1989-），男，浙江東陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事有機(jī)合成研究。E-mail：renhong1004@163.com。