炔烴參與的過渡金屬催化的C-H活化/雜環(huán)化研究

馮思敏

（陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西西安710075）

雜環(huán)是各種天然產(chǎn)物、材料和藥物分子的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，因此建立高效的制備方法成為國(guó)內(nèi)外有機(jī)化學(xué)工作者研究的重要課題。通過過渡金屬催化將C-H直接官能化，為直接構(gòu)建C-E鍵（E為C、N、S或O）提供了一種環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)的步驟，已成為綠色、可持續(xù)化學(xué)領(lǐng)域不可或缺的驅(qū)動(dòng)力。直接將C-H鍵功能化徹底改變了傳統(tǒng)復(fù)雜、耗時(shí)的合成思路。從易于合成的起始原料開始，采用過渡金屬催化直接實(shí)現(xiàn)C-H鍵官能化反應(yīng)的開發(fā)為實(shí)現(xiàn)雜環(huán)序列提供了新的途徑。

多種有機(jī)π組件，例如炔烴、烯烴和丙二烯已逐漸參與到C-H鍵活化構(gòu)建雜環(huán)的反應(yīng)中。因此，炔烴作為重要的有機(jī)π組分，越來越受到有機(jī)工作者的的關(guān)注?；诖耍偨Y(jié)了炔烴作為有機(jī)π組件通過C-H活化反應(yīng)構(gòu)建稠合雜環(huán)的研究進(jìn)展。以下分別概述了在Rh、Ru、Pd、Co催化的條件下，炔烴參與的C-H活化/環(huán)化反應(yīng)。

1 Rh催化

Rh（Ⅲ）催化下C-H鍵活化，隨之與炔烴發(fā)生的環(huán)化反應(yīng)經(jīng)常被用作構(gòu)建各種雜環(huán)的有力工具。如圖1所示，Guimond等[1]在Rh（Ⅲ）催化下，通過苯氧肟酸與炔烴發(fā)生環(huán)合反應(yīng)生成異喹諾酮衍生物。該反應(yīng)在溫和的條件下運(yùn)行，對(duì)空氣或濕氣不敏感，且不需要外部氧化劑，而是N-O鍵直接氧化促使C-N鍵的建立，以及催化劑的重新生成。這種反應(yīng)可以在其他雜環(huán)的形成和功能化中找到更廣泛的用途。

圖1 Rh（Ⅲ）催化下C-H活化反應(yīng)合成異喹諾酮

Rh（Ⅲ）催化反應(yīng)廣泛使用苯甲酰胺、乙酰胺、亞胺、酮和羧酸等羰基衍生物作為導(dǎo)向基團(tuán)，這說明了這種反應(yīng)性概念的實(shí)用性。但據(jù)我們所知，芳基磺酰胺尚沒有被Rh催化劑研究。如圖2所示，Pham等[2]在2012年證明了?；酋０肥荝h（Ⅲ）催化的C-H鍵活化的合適導(dǎo)向基團(tuán)，環(huán)金屬化的中間體很容易與各種內(nèi)部炔烴反應(yīng)，并迅速而廣泛地獲得苯丙磺內(nèi)酰胺。

圖2 Rh（Ⅲ）催化的C-H活化反應(yīng)合成苯并磺內(nèi)酰胺

就生物堿、肽和蛋白質(zhì)而言，吲哚是一類重要的芳香族雜環(huán)。如圖3所示，有研究開發(fā)出通過使用無痕亞硝基導(dǎo)向基團(tuán)進(jìn)行氧化還原的C-H活化和環(huán)化反應(yīng)[3]。該方法具有操作簡(jiǎn)單、無外部氧化劑或添加劑、底物范圍廣、反應(yīng)條件穩(wěn)定的特點(diǎn)。對(duì)于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部乙炔，具有良好甚至優(yōu)異的區(qū)域選擇性。N-亞硝基官能團(tuán)既用作C-H活化的導(dǎo)向基團(tuán)，又用作催化劑轉(zhuǎn)換的內(nèi)部氧化劑。

圖3 Rh催化的C-H活化反應(yīng)合成吲哚

如圖4所示，有研究開發(fā)了一種Rh（Ⅲ）催化的吡啶-2（1H）-1衍生物與炔烴的氧化環(huán)化反應(yīng)，可通過雙C-H鍵活化反應(yīng)構(gòu)建4H-喹啉嗪-4-酮和4H-苯并喹啉-4-酮[4]。該反應(yīng)具有原料容易獲得、操作簡(jiǎn)單、底物范圍相對(duì)較寬和官能團(tuán)耐受性良好等特征。

圖4 Rh（Ⅲ）催化的雙C-H鍵活化反應(yīng)

2 Ru催化

如圖5所示，Krieger等[5]揭示了一種釕催化的w-炔基苯氧肟酸酯環(huán)化反應(yīng)的新合成思路，為合成多樣化新型大環(huán)異喹諾酮提供了新的途徑。實(shí)驗(yàn)中緩慢加入添加劑和外部氧化劑，與多種底物相溶，成功制備具有12～20環(huán)的21種大環(huán)異喹諾酮。

圖5 釕催化的C-H活化反應(yīng)合成大環(huán)異喹諾酮

如圖6所示，Ackermann等[6]首次報(bào)道了通過1-鹵代炔烴的C-H/N-O環(huán)化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)4-取代異喹諾酮的構(gòu)建。因此，通用的雙羧酸釕（Ⅱ）能夠在反應(yīng)溫度為25 ℃的條件下，用炔基溴化物進(jìn)行C-H活化，具有足夠的范圍和較高的官能團(tuán)耐受性。

圖6 常溫下釕催化的C-H活化反應(yīng)

3 Co催化

如圖7所示，NaClO3首次被證明是催化C-H活化反應(yīng)中的一種高效通用氧化劑。Ran等[7]開發(fā)了一種Co催化的芳基磺酰胺與末端炔烴/內(nèi)部炔烴的環(huán)化反應(yīng)，用以合成磺內(nèi)酰胺。大量的磺酰胺和炔烴可以轉(zhuǎn)化為具有高區(qū)域選擇性的所需產(chǎn)物，具有良好的產(chǎn)率。

圖7 Co催化的C-H活化反應(yīng)合成苯并磺內(nèi)酰胺

如圖8所示，Planas等[8]研究了一種新的共催化方案，該方案從易于制備的芳基磺酰胺和炔烴開始，合成了苯并磺內(nèi)酰胺序列。與Rh催化相比，該方案采用廣泛取代的芳基磺酰胺和炔烴，顯示出優(yōu)異的區(qū)域選擇性。因其良好的反應(yīng)性和選擇性，使得Co催化有望取代元素周期表中第二排昂貴的過渡金屬催化構(gòu)建雜環(huán)。

圖8 Co催化的C-H活化反應(yīng)合成苯并磺內(nèi)酰胺

如圖9所示，Kuai等[9]開發(fā)了一種將吡啶甲酰胺用作無痕導(dǎo)向基團(tuán)的Co催化芐基酰胺與炔烴的環(huán)合反應(yīng)，以合成異喹啉。該方案具有廣泛的底物范圍，內(nèi)部芳基、脂肪族炔烴及末端炔烴均可以有效地用于該反應(yīng)，對(duì)官能團(tuán)表現(xiàn)出良好的耐受性和極好的區(qū)域選擇性。在該反應(yīng)中，氧氣被用作唯一的氧化劑。

圖9 Co催化的C-H活化反應(yīng)合成異喹啉

如圖10所示，Xu等[10]開發(fā)出Cp聯(lián)合Co（Ⅲ）催化的N-甲氧基酰胺和炔二酮的C-H官能化串聯(lián)反應(yīng)，用于在氧化還原條件下，反向區(qū)域選擇性的炔烴插入合成吲哚并咪唑支架。該反應(yīng)顯示出優(yōu)異的官能團(tuán)耐受性，有利于后期官能化。

圖10 Co催化的C-H活化反應(yīng)合成吲哚并咪唑支架

4 鈀催化

吡咯環(huán)是一種核心結(jié)構(gòu)，存在于多種天然產(chǎn)物、有機(jī)材料和藥物中，也是重要的工業(yè)合成單元。如圖11所示，Loh[11]已經(jīng)開發(fā)了鈀催化的酰胺和內(nèi)部炔烴環(huán)化反應(yīng)，以良好的收率制備了多取代的吡咯。該反應(yīng)中底物耐受性較好、反應(yīng)條件相當(dāng)溫和，僅使用氧分子作為氧化劑用以實(shí)現(xiàn)鈀催化劑的循環(huán)。

圖11 Pd催化的C-H活化反應(yīng)合成吡咯

如圖12所示，Shu等[12]開發(fā)了一種有效的多相、可循環(huán)利用催化體系，用于在溫和條件下通過C-H活化用苯甲酰胺和炔烴直接合成異喹諾酮。該反應(yīng)具有廣泛的底物適用性、良好的產(chǎn)率以及優(yōu)異的區(qū)域選擇性。研究中Pd/C催化劑循環(huán)使用了3次，但活性沒有明顯降低。

圖12 Pd/C催化的C-H活化反應(yīng)合成異喹諾酮

如圖13所示，Wan等[13]利用鈀催化，將炔烴和二溴苯基吡咯直接通過C-H環(huán)化反應(yīng)來構(gòu)建各種π共軛結(jié)構(gòu)。該方法與各種供電子基團(tuán)和吸電子基團(tuán)如烷氧基、氯、酯和腈兼容，可以應(yīng)用于進(jìn)一步的合成轉(zhuǎn)化中。在模擬的AM1.5G照射下，獲得功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）為6.1%，足以表明該方法有望應(yīng)用于有機(jī)光電材料的迅速組裝。

圖13 Pd催化的C-H活化反應(yīng)合成多環(huán)芳烴

5 結(jié)語(yǔ)

目前，碳?xì)滏I活化構(gòu)建雜環(huán)的合成研究是有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，雜環(huán)對(duì)生命科學(xué)及有機(jī)光電材料等方面的重要性質(zhì)，激勵(lì)著人們不斷探討構(gòu)建更原子經(jīng)濟(jì)的新方法去合成雜環(huán)。其中，炔烴作為有機(jī)π組件，以過渡金屬催化碳?xì)滏I活化反應(yīng)為制備雜環(huán)化合物提供了一個(gè)更廣闊的前景。