鐵催化的端炔乙烯基鋅化反應

有機鋅試劑是現(xiàn)代合成化學最常用的金屬試劑之一。炔烴的碳鋅化反應是合成有機鋅試劑的重要方法，但是目前普遍存在無法耐受端炔的氫和引入的碳基團難以轉(zhuǎn)化等問題，嚴重限制了該反應的應用。炔烴的催化乙烯基鋅化，可以在炔烴兩端同時引入易于轉(zhuǎn)化的烯基和鋅，在合成中有重要的應用潛力。然而，要實現(xiàn)端炔的乙烯基鋅化反應需要克服多種挑戰(zhàn)：（1）端炔的酸性氫能夠淬滅催化劑，或者和鋅試劑發(fā)生置換反應；（2）端炔容易在過渡金屬催化劑作用下發(fā)生二聚，生成烯炔化合物；（3）烯基鋅產(chǎn)物可能進一步和炔烴發(fā)生烯基鋅化，生成炔烴齊聚產(chǎn)物；（4）鋅試劑在過渡金屬的催化下可能生成自由基，導致反應的立體選擇性難以控制。

最近，南開大學化學學院朱守非課題組發(fā)展了一種1,10-菲羅啉-亞胺配體修飾的鐵催化劑，首次實現(xiàn)了極具挑戰(zhàn)的端炔的乙烯基鋅化反應，為有機鋅試劑和多取代共軛烯烴的合成提供了新的高效的方法。該反應具有非常好的官能團耐受性和底物普適性，被成功用于維生素A等重要生物活性分子的簡捷合成，顯著提高了合成效率。研究成果近期為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.，并被編輯選為JACS Spotlights。博士生黃強為本文第一作者。

催化端炔乙烯基鋅化反應

研究發(fā)現(xiàn)，鄰菲羅啉-亞胺的鐵配合物在模型反應中表現(xiàn)出很高的催化活性，特別是鄰菲羅啉骨架9位帶有大位阻2,4,6-三異丙基基的催化劑C1-C3和2,4,6-三甲基的催化劑C6可以以近乎定量的收率和單一的區(qū)域選擇性和立體選擇性得到乙烯基鋅化產(chǎn)物2。其他三齒配體、雙齒氮配體、單膦配體和雙膦配體均不能給出好的結(jié)果。將C3催化劑中的中心金屬鐵換為其它金屬，反應的活性和選擇性都明顯降低。

反應優(yōu)化

在最優(yōu)條件下，研究者考察了底物范圍。該反應有很好的官能團耐受性，甲氧基、胺基、硅基、巰基、酯基、酰基、酰胺基、氰基、砜基、縮醛基、三氟甲基、鹵素都能耐受。帶有活潑質(zhì)子的官能團（-NHMe, -OH）的炔烴底物同樣可以順利發(fā)生反應。稠環(huán)取代的乙炔（2-萘乙炔）和芳雜環(huán)取代的乙炔（呋喃、噻吩、吡啶、吲哚取代的乙炔）同樣能給出較好的結(jié)果。除了乙烯基鋅，其他烯基鋅也可用于該反應，β-烷基、α-烷基、雙烷基、芳基取代乙烯基鋅試劑反應活性依次降低。

鐵催化芳基端炔的烯基鋅化反應

除了芳基取代端炔，共軛烯炔，脂肪基端炔，官能團化炔烴也能夠在鐵催化劑促進下順利發(fā)生乙烯基鋅化反應，以較高的收率和很高的區(qū)域和立體選擇性給出相應的產(chǎn)物。

鐵催化其它端炔的乙烯基鋅化反應

該反應表現(xiàn)出良好的官能團耐受性，可用于多功能化藥物分子的后期修飾中。利伐沙班、決奈達隆、非布索坦、度洛西汀、雌酚酮和鬼臼毒素衍生物能夠以良好至較高的產(chǎn)率和優(yōu)異的選擇性得到相應的乙烯基鋅化產(chǎn)物2ga-2gf。

藥物分子的后期修飾

該方法在合成中有很好的應用潛力。產(chǎn)物中的C-Zn鍵可發(fā)生一系列轉(zhuǎn)化，包括烷基化、芳基化、烯丙基化、炔基化和加成反應，高效生成多種多取代共軛烯烴。該反應還被成功應用于多種生物活性分子，包括維生素A及其衍生物的高效、高選擇性合成，和文獻方法相比，顯著提升了合成效率。

鐵催化乙烯基鋅化反應的應用

研究者對機理進行了系統(tǒng)研究：表征了有機鋅產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)；發(fā)現(xiàn)端炔的氫很容易和鋅試劑發(fā)生交換反應，而鐵催化劑可抑制此背景反應；氘帶標記實驗顯示底物和產(chǎn)物均沒有H-D交換乙烯基鋅可將Fe(II)前體還原為Fe(I)活性催化劑。DFT計算結(jié)果顯示，活性鐵物種以開殼層四重態(tài)（S = 3/2）方式催化反應；β-加成活化能（10.9 kcal/mol）比α-加成活化能（0.9 kcal/mol）高了10.0 kcal/mol，二次插入的活化能（10.6 kcal/mol）也遠高于一次插入活化能（0.9 kcal/mol）；對過渡態(tài)結(jié)構(gòu)和前線軌道分析發(fā)現(xiàn)，TS1中Fe的dz2軌道與鄰菲羅啉的π軌道具有p-π共軛作用，使得電荷更加分散，因此能量更低?？傮w而言，配體構(gòu)筑的擁擠反應空腔和鐵原子較小的原子半徑，使得鐵催化劑能夠精準的識別炔烴兩端取代基的差異，給出高的區(qū)域選擇性；而鐵催化劑開殼層結(jié)構(gòu)，顯著降低了反應的過渡態(tài)能壘，減少了端炔酸性氫和鋅試劑的置換、炔烴二聚、烯基鋅產(chǎn)物進一步齊聚等競爭反應，因而實現(xiàn)了高的化學選擇性。

機理研究

總之，朱守非課題組發(fā)展了一種基于1,10-菲羅啉-亞胺骨架的三齒氮配體和鐵的配合物催化劑，首次實現(xiàn)了端炔的乙烯基鋅化反應。該反應具有很好的官能團耐受性和底物普適性，同時還具有很好的化學選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性。共軛烯基鋅產(chǎn)物可以進行多種轉(zhuǎn)化，被成功用于多種天然產(chǎn)物及藥物中間體的合成，顯著提升了合成效率。機理研究表明，1,10-菲羅啉-亞胺配體剛性結(jié)構(gòu)、鐵離子的較小離子半徑、鐵催化劑的開殼層結(jié)構(gòu)對于反應取得優(yōu)異結(jié)果至關(guān)重要。該研究拓展了鐵催化反應的類型，深化了對鐵催化反應機理的理解，豐富了有機鋅的合成方法和種類。