
上海有機(jī)所在穩(wěn)定型卡賓領(lǐng)域研究取得進(jìn)展:把卡賓親電性推至極限
1923年,美國(guó)化學(xué)家Gilbert N. Lewis提出Lewis酸堿概念。Lewis認(rèn)為酸堿反應(yīng)是堿提供孤對(duì)電子跟酸共享(圖1上),是雙電子作用,酸與堿之間沒有電子轉(zhuǎn)移。盡管Lewis酸堿之間單電子轉(zhuǎn)移作用在很多有機(jī)化學(xué)反應(yīng)過程中被提出來作為一種機(jī)理解釋,卻缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。2013年,王新平課題組通過實(shí)驗(yàn)直接觀察到Lewis酸與堿之間發(fā)生的單電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象(圖1下),即酸與堿反應(yīng)可以通過單電子作用。他們發(fā)現(xiàn),Lewis酸B(C6F5)3 (BCF)可以通過單電子轉(zhuǎn)移氧化有機(jī)分子(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14912)。此后,強(qiáng)Lewis酸單電子氧化有機(jī)分子被廣泛研究。 王新平課題組近年來致力于發(fā)展基于酸堿單電子作用的BCF及其它傳統(tǒng)Lewis酸耦合的電子轉(zhuǎn)移策略(Lewis acid coupled electron transfer,簡(jiǎn)稱LACET),并研究其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來他們利用LACET策略合成了一系列自由基化合物,并把LACET策略引入到動(dòng)態(tài)化學(xué)和磁性領(lǐng)域 (J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 7978;CCS Chem. 2023, 5, 334;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202300068;J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 17292)。最近,該課題組把LACET策略引入到卡賓和小分子活化領(lǐng)域,得到了親電性最強(qiáng)的穩(wěn)定型卡賓。

圖1
卡賓(carbene)因其特有的六電子排布以及二價(jià)的卡賓碳的獨(dú)特反應(yīng)性,作為一種重要的有機(jī)化學(xué)中間體得到了廣泛關(guān)注。1988年,Bertrand等人在卡賓碳兩側(cè)接上含磷和含硅的官能團(tuán),得到了穩(wěn)定的卡賓化合物;1991年,Arduengo等人設(shè)計(jì)了氮雜環(huán)卡賓(N-heterocylic carbene, NHC),成功得到卡賓的單晶結(jié)構(gòu)。作為一種單線態(tài)卡賓,氮雜環(huán)卡賓同時(shí)具有良好的親核性和一定的親電性,其電子效應(yīng)可以通過比較前線軌道能量來判斷。HOMO能量越高,其給電子能力(親核性)越強(qiáng);LUMO能量越低,其接受電子能力(親電性)越強(qiáng)(如圖2所示)。一般而言,氮雜環(huán)卡賓的親核性更為明顯,強(qiáng)親電性卡賓的設(shè)計(jì)也面臨諸多困難。近期,王新平課題組將強(qiáng)Lewis酸B(C6F5)3與含羰基的氮雜環(huán)卡賓結(jié)合,得到了一種新的穩(wěn)定卡賓結(jié)構(gòu)。Lewis酸的引入極大地提高了原有卡賓的親電性,使其具備更高的反應(yīng)活性,并首次實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定型卡賓與乙烯分子的[2+1]環(huán)加成反應(yīng)。

圖2 不同類型卡賓的LUMO能量和S/T Gap能量對(duì)比圖。
由Bertrand等人開發(fā)出的環(huán)烷胺基卡賓(cyclic (alkyl) (amino) carbene, CAAC,圖2)具有相對(duì)更低的LUMO能量和相對(duì)更高的HOMO能量,具有更好的反應(yīng)活性,但其親電性的提升并不顯著; Bielawski等人則設(shè)計(jì)出了一種N,N’-二酰胺基卡賓(N,N’-diamidocarbene, DAC,圖2),引入兩個(gè)羰基作為吸電子基團(tuán)以提高其親電性。但是,提高這兩類卡賓的親電性與反應(yīng)活性均需要進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此,開發(fā)一種簡(jiǎn)潔有效的提高卡賓親電性的策略,將會(huì)對(duì)研究強(qiáng)親電性卡賓的性質(zhì)具有重要意義。
在該工作中,他們將BCF與DAC配位后,得到了一種全新的穩(wěn)定Lewis酸-卡賓雜化物結(jié)構(gòu)(圖3)。理論計(jì)算表明,卡賓的LUMO能量從與BCF配位前的-2.7 eV降低到-4.0 eV,單/三線態(tài)能量差也從配位前的31.3 kcal/mol降低到19.2 kcal/mol。DAC與BCF配位后,發(fā)生了分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移,不僅親電性得到了極大提高,反應(yīng)活性也有同步提升。雜化物中的Lewis酸通過與強(qiáng)堿Ph3P的反應(yīng)從BCF-DAC中解離,證明BCF的配位和解離形成雜化物可以具有一定的動(dòng)態(tài)特征(圖3)。

圖3 (A)卡賓BCF-DAC的可逆配位過程;(B)卡賓BCF-DAC的晶體結(jié)構(gòu)。
為了研究該卡賓與BCF配位前后反應(yīng)活性的影響,我們將DAC與甲苯、乙烯和乙炔進(jìn)行反應(yīng)。DAC在加熱至80 C 后24至48小時(shí)可以插入甲苯的芐基C-H鍵。加入BCF后,DAC僅需30分鐘即可在室溫下完成反應(yīng),而使用更強(qiáng)的Lewis酸Al(ORF)3 (ORF = OC(CF3)3)則能讓該反應(yīng)的速率進(jìn)一步提升(圖4A)。類似地,DAC與乙炔的[2+1]環(huán)加成反應(yīng)的完成時(shí)間從10小時(shí)減少到2小時(shí)(圖4B)。更引人注目的是,DAC即使在加熱時(shí)也不會(huì)與乙烯反應(yīng),但在加入BCF后,常溫常壓下即可與乙烯發(fā)生[2+1]環(huán)加成反應(yīng)(圖4C)。由于其優(yōu)異的親電性,該雜化物成為首個(gè)能夠直接與乙烯反應(yīng)的穩(wěn)定卡賓。所有產(chǎn)物均通過單晶X射線衍射(圖5)和核磁共振等手段進(jìn)行了表征。

圖4 DAC及其與Lewis酸雜化物分別與甲苯、乙烯和乙炔的反應(yīng)

圖5 相關(guān)反應(yīng)產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)
此外,BCF可以通過添加給電子能量較強(qiáng)的溶劑(如CH3CN)從產(chǎn)物中去除,以便柱層析分離產(chǎn)物(如圖6所示)。將圖4所示的反應(yīng)(即BCF+DAC+底物)以一鍋法進(jìn)行后直接加入CH3CN淬滅,分離得到產(chǎn)物的產(chǎn)率為68-72%,這證明DAC與BCF是充分反應(yīng)、充分結(jié)合的。

圖6 相關(guān)產(chǎn)物與乙腈的反應(yīng)
DAC的親電性可以通過與不同的Lewis酸配位來調(diào)節(jié)。在B3LYP/6-31G(d)計(jì)算精度下,Lewis酸-DAC雜化物的LUMO能量(單位:eV)依次排序?yàn)椋?/font>B(C6F5)2H (-3.91) < BCF (-4.00) < B(C6F5)2Cl (-4.12) < BCl3 (-4.13) < AlCl3 (-4.24) < Al(ORF)3 (ORF = OC(CF3)3) (-4.25) < BBr3 (-4.26)。由計(jì)算結(jié)果可知,BBr3的酸性最強(qiáng),其與DAC雜化物的親電性也最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明,甲苯與Al(ORF)3-DAC雜化物的反應(yīng)比BCF-DAC雜化物快得多(如圖4A和圖5B所示),這與LUMO能量順序一致。類似的行為發(fā)生在不同Lewis酸與DAC的雜化物與乙烯(BCF為8h,Al(ORF)3為2h)和乙炔(BCF為2h,Al(ORF)3為0.5 h)的反應(yīng)中。然而,像BBr3這樣的體積較小的路易斯酸可能會(huì)與DAC的卡賓碳發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)。體積較大和商業(yè)化的BCF固體Lewis酸,是該策略中的首選。
綜上所述,本工作將DAC卡賓與強(qiáng)Lewis酸配位,在不改變卡賓本身結(jié)構(gòu)的情況下,大大增強(qiáng)了卡賓的親電性,并賦予該雜化卡賓以獨(dú)特的反應(yīng)活性,使其能夠以更快的速度活化惰性化學(xué)鍵和小分子。 更重要的是,在該策略的指導(dǎo)下,穩(wěn)定卡賓首次實(shí)現(xiàn)了與乙烯的[2+1]環(huán)加成反應(yīng)??ㄙe的親電性在理論上可以通過改變Lewis酸的種類加以調(diào)控,而產(chǎn)物中的Lewis酸片段則可以通過添加強(qiáng)堿消除。利用這種策略對(duì)更多惰性小分子的活化與轉(zhuǎn)化反應(yīng)研究成果正在整理和投稿之中,敬請(qǐng)關(guān)注。
相關(guān)工作近期發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(J. Am. Chem. Soc. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c07923)。文章的第一作者為博士研究生裴潤(rùn)博(南京大學(xué)-上海有機(jī)所交流生),通訊作者為王新平研究員。本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,中國(guó)科學(xué)院率先行動(dòng)計(jì)劃,南京大學(xué),中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所,配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和金屬有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。 謹(jǐn)以本文祝賀戴立信院士百歲華誕。
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