大数跨境
首页
>
Nat. Chem.：钴(II)-四苯基卟啉催化的卡宾转移
>
0
0

Nat. Chem.：钴(II)-四苯基卟啉催化的卡宾转移

Nat. Chem.：钴(II)-四苯基卟啉催化的卡宾转移 X-MOL资讯
2022-06-11
3
导读：荷兰阿姆斯特丹大学的Bas de Bruin教授课题组报道了钴(II)-四苯基卟啉络合物和受体-受体λ3-iodaneylidenes（碘鎓叶立德）衍生的二取代钴(III)-卡宾自由基的形成，并成功地



卡宾（Carbene）是一类高活性中间体，其碳原子上有两个未成键电子，因此化学家将其与金属络合形成较为稳定的金属卡宾络合物，从而极大地提高其反应选择性。迄今为止，金属卡宾已成为高度通用的中间体，并成功地构建了各种各样的结构单元。如图1a所示，钴-卟啉配合物（如钴（II）-四苯基卟啉（[Co(TPP)]））可有效地催化各种环化和插入反应，而且大多数反应是传统Fischer型卡宾无法实现的。该反应的关键在于金属钴（II）到卡宾的单电子转移过程，使得卡宾具有自由基特性，从而能够进行后续转化。然而，活性卡宾自由基中间体的光谱检测和表征仅限于以单取代卡宾为中心的一些分散实验。尽管二取代受体-受体卡宾具有（自由基）稳定作用，但是二取代受体-受体重氮化合物的活化却较为困难（图1b）。近年来，X. Peter Zhang课题组致力于发展金属自由基催化的不对称反应，成功地合成了一系列结构独特的手性酰胺钴卟啉催化剂并将其用于多种转化（J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 14718）。其中一些催化剂可以活化特定的二取代重氮化合物，但是其合成过程较为复杂，同时重氮化合物固有的毒性和潜在的爆炸性也限制了其合成应用。

图1. 钴(III)-卡宾自由基的应用及其挑战。图片来源：Nat. Chem.

相比之下，高价碘(III)类似物（即碘鎓叶立德）或许是卡宾形成的有用替代前体，但是目前还没有报道过均相钴体系催化碘鎓叶立德的卡宾转移（图1b）。近期，荷兰阿姆斯特丹大学的Bas de Bruin教授课题组报道了钴(II)-四苯基卟啉络合物和受体-受体λ3-iodaneylidenes（碘鎓叶立德）衍生的二取代钴(III)-卡宾自由基的形成（图1d），并成功地实现了苯乙烯的环丙烷化。具体而言，碘鎓叶立德通过顺磁性钴（II）-四苯基卟啉络合物催化剂的可逆配体修饰产生双类卡宾物种（biscarbenoid species）。整个机制涉及两个相互关联的催化循环，其核心分别是单卡宾自由基中间体和N-烯醇-卡宾自由基中间体。值得注意的是，N-烯醇化物的形成并不会导致反应无法进行，而是一种可逆过程，该过程能够从单一的N-烯醇-卡宾中间体转移两个卡宾物种。相关成果发表在Nature Chemistry 上。

图2. 反应条件优化。图片来源：Nat. Chem.

首先，作者选择重氮丙二酸二甲酯（DMM•N2）或二甲基丙二酸碘鎓（DMM•IY）为模型卡宾前体以探究[Co(TPP)]在苯乙烯环丙烷化反应中的催化活性（图2），结果显示重氮底物即使在60 °C下加热60 h也只能得到痕量产物。相比之下，碘鎓叶立德在20 °C下反应不到1 h，就能以99%的收率得到所需的环丙烷。对催化剂负载量、DMM•IY当量、溶剂和反应时间进一步优化后，作者发现当催化剂负载量为5.0 mol%时，可在5 min内实现定量转化。对照实验证实了[Co(TPP)]催化剂以及叶立德卡宾前体的关键作用。另外，在空气中或TEMPO为捕获剂的条件下进行反应时，产率显著降低或没有产物，进一步证实了该反应为自由基型反应。需要指出的是，该反应还能实现各种基团取代的苯乙烯、乙烯基吡啶和丙烯酸甲酯的环丙烷化，同时对空间位阻非常敏感（1,2-取代C=C键的环丙烷化受阻），并且需要稳定自由基的取代基。

图3. N-烯醇式-卡宾自由基的光谱检测及表征。图片来源：Nat. Chem.

基于先前的研究，作者猜测双类卡宾中间体可能在催化中起作用。为此，作者使用正模式冷电喷雾电离高分辨质谱（CSI-HR-MS，正模式）对DMM•IY和[Co(TPP)]的反应进行检测，结果显示质荷比m/z=801 Da和m/z=931 Da处的两个主峰分别对应于单类卡宾配合物和双类卡宾配合物（图3g）。为了更清楚地了解反应的化学计量，作者使用紫外-可见（UV/Vis）光谱来探测卟啉Soret带和Q带的变化。当用0-2.5 equiv.的DMM•IY（溶于CH2Cl2）滴定[Co(TPP)]催化剂时，发现Soret峰从410 nm红移到430 nm（强度显著降低），同时在383、424、518和542 nm处具有明显的等吸光点（图3e）。此外，添加2 equiv.的碘鎓叶立德时观察到[Co(TPP)]完全转化为新物种，并且添加额外的叶立德不会导致UV/Vis谱的进一步扰动，这些结果表明卟啉大环的显著电子微扰是由CoII被氧化为CoIII引起的，同时卡宾部分和卟啉环之间发生化学反应，这与文献数据相一致。因此，作者将其归因于N-烯醇-卡宾自由基物种（IE-T）的选择性形成，并通过时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）计算进行了证实。随后，作者还进行了X-波段电子顺磁共振(EPR)光谱研究，结果表明DMM•IY和[Co(TPP)]之间的反应导致了N-烯醇-卡宾自由基物种IE-T的形成（图3），并通过抗磁性N-烯醇-烷基物种IA-E的NMR谱和单晶X-射线衍射证实了其结构，这是因为IA-E能够通过氢原子转移（HAT）到卡宾自由基部分获得IE-T（图3f）。

图4. 催化中间体和失活产物的光谱检测。图片来源：Nat. Chem.

接下来，作者研究了N-烯醇-卡宾自由基物种（IE-T）在苯乙烯反应中的催化作用。如图4所示，当[Co(TPP)]和2 equiv. DMM•IY反应时会定量形成IE-T，然后向其中加入过量的苯乙烯便可得到2 equiv.的环丙烷1，这表明IE-T的卡宾自由基部分和烯醇部分都可以作为卡宾基团转移到苯乙烯上。也就是说，N-烯醇部分的形成对于顺磁性[CoII(TPP)]是可逆的，并且不是催化剂失活途径，这与先前的闭壳CoIII-卟啉研究形成鲜明对比。随后，作者将原位产生的IE-T与1 equiv.的苯乙烯进行反应并通过X-波段EPR光谱研究（图5a），观察到单卡宾自由基物种IT的生成，这表明从IE-T转移到苯乙烯的是卡宾自由基部分，并且形成的CoIII-N-烯醇加合物IE的N-烯醇部分会重排为IT，后者在过量苯乙烯的存在下生成第二当量的环丙烷。

图5. 反应性研究。图片来源：Nat. Chem.

当按照DMM•IY、苯乙烯、[Co(TPP)]的添加顺序进行反应时，20 s后将反应混合物冷冻淬灭，得到了[Co(TPP)]和单卡宾自由基物种IT的混合物，而颠倒添加顺序（DMM•IY、[Co(TPP)]、苯乙烯）后则检测到N-烯醇加合物IE的生成（图5b）。这表明在催化剂与叶立德先反应的体系中，卡宾转移主要源于N-烯醇-卡宾自由基中间体IE-T。相反，在苯乙烯先存在的体系中，单卡宾自由基物种IT是主要的卡宾转移中间体。另外，Hammett分析显示改变试剂的添加顺序对Hammett 参数没有显著影响（图5c），这表明两种卡宾自由基中间体（IE-T和IT）具有相似的电子特性，并且两者能通过HAT过程迅速失活，分别得到相应的烷基物种IE-A和IA＇（图4）。

图6. [Co(TPP)]-催化DMM•IY和苯乙烯反应的全催化循环。图片来源：Nat. Chem.

为了进一步探究金属自由基催化的环丙烷化的反应机理，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算（图6），并得出了以下结论：（a）反应机理：环丙烷化反应由两个相互关联的催化循环组成（即“单卡宾循环”和“双卡宾循环”），前者的关键中间体是单卡宾自由基配合物IT，后者是N-烯醇-卡宾自由基中间体IE-T；（b）Ylide活化：DMM•IY的第一次和第二次添加都会通过低势垒过渡态得到IT和IE-T。有趣的是，单类卡宾物种的稳定性顺序是IT>IB（桥连卡宾中间体）≈IE，而双类卡宾物种的稳定性顺序则是相反的，即IE-T>IB-T（桥接-末端卡宾中间体）>IT-T（双-末端卡宾中间体）；（c）N-烯醇到卡宾自由基重排：“双卡宾循环”是通过IE到IB的分子内重排和随后的IT形成重新连接到“单卡宾循环”；（d）Ylide与苯乙烯活化：苯乙烯与IT加成的能垒远远低于与IE-T加成的能垒（+10.8 kcal mol-1 vs +18.3 kcal mol-1），并且“单卡宾循环”比“双卡宾循环”更快；（e）动力学捕获：由单卡宾自由基IT形成IE-T与等摩尔浓度下苯乙烯和IT的加成存在竞争性（+11.2 kcal mol-1 vs +10.8 kcal mol-1），因此两个循环是相关的。

总结

Bas de Bruin教授课题组证明了受体-受体碘鎓叶立德是一种可检测、可表征的二取代卡宾自由基前体，同时还能高效、快速地实现苯乙烯的环丙烷化。机理研究表明整个反应涉及两个相互关联的催化循环，这两个循环的核心分别是单卡宾自由基中间体IT和N-烯醇-卡宾自由基中间体IE-T。值得一提的是，N-烯醇化物的形成并不会导致催化剂失活，而是使HAT催化剂失活的能垒更高。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Cobalt(II)–tetraphenylporphyrin-catalysed carbene transfer from acceptor–acceptor iodonium ylides via N-enolate–carbene radicals
Roel F. J. Epping , Mees M. Hoeksma, Eduard O. Bobylev, Simon Mathew, Bas de Bruin
Nat. Chem., 2022, 14, 550-557, DOI: 10.1038/s41557-022-00905-4


【声明】内容源于网络
0
0
X-MOL资讯
“X-MOL资讯”隶属于X-MOL学术平台（官网x-mol.com），关注化学、材料、生命科学、医学等领域的学术进展与科研前沿，提供专业与深度的内容。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的新近论文，支持个性化浏览。
内容 19833
粉丝 0
X-MOL资讯 “X-MOL资讯”隶属于X-MOL学术平台（官网x-mol.com），关注化学、材料、生命科学、医学等领域的学术进展与科研前沿，提供专业与深度的内容。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的新近论文，支持个性化浏览。
总阅读1.6k
粉丝0
内容19.8k