余任镕,謝吳成,馮志豪,金可欣,林佳豪,簡(jiǎn)心儀,林欽洪

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

幾乎所有的有機(jī)化合物中都含有碳?xì)滏I,但由于C-H鍵的鍵能非常高、鍵的極性小等因素使得其具有惰性,因此在溫和條件下將C-H鍵選擇性催化活化構(gòu)建其它化學(xué)鍵存在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的雙重挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法相比,C-H鍵直接活化避免了對(duì)反應(yīng)底物的預(yù)官能團(tuán)化,而且反應(yīng)副產(chǎn)物少、原子利用率高。近二十年來(lái),過(guò)渡金屬催化的C-H鍵活化反應(yīng)取得了顯著的進(jìn)展,已成為構(gòu)建復(fù)雜有機(jī)化合物的一項(xiàng)重要的、符合原子經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)的強(qiáng)有力工具[1]。

當(dāng)前,經(jīng)典金屬催化劑主要集中在后過(guò)渡金屬—特別是銠、釕、鈀、銥等 “貴金屬”,該類(lèi)催化劑通常價(jià)格昂貴,同時(shí)具有較大的金屬毒性。基于可持續(xù)發(fā)展和綠色催化的理念,第一排過(guò)渡金屬,尤其是錳,由于其在地殼中儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)易得、具有低毒低污染、對(duì)環(huán)境友好、高潛在催化活性等特點(diǎn),在有機(jī)金屬化學(xué)和過(guò)渡金屬催化C-H鍵活化方面具有巨大的潛力[2]。

早在1970年,Bruce等[3]報(bào)道了第一例化學(xué)計(jì)量比的錳介導(dǎo)的偶氮苯C-H鍵活化反應(yīng)(如圖1所示）。然而,在接下來(lái)的40年里,錳催化C-H活化反應(yīng)的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)。1999年,Hartwig,Kuninobu and Takai等零星報(bào)道了幾例錳催化C-H活化反應(yīng),但沒(méi)有形成系統(tǒng)錳催化C-H鍵活化體系,亟需發(fā)展普遍適用的錳催化C-H鍵活化體系和更多的反應(yīng)類(lèi)型。

圖1 第一例化學(xué)計(jì)量比錳介導(dǎo)的偶氮苯C-H鍵活化反應(yīng)Fig.1 The first example of C-H bond activation of azobenzene mediated by stoichiometric ratio of manganese

2013年,王從洋課題組[4]通過(guò)采用BrMn(CO）5和Cy2NH的催化劑組合,發(fā)展了錳/胺協(xié)同脫質(zhì)子的C-H活化新模式(如圖2所示）。進(jìn)而,通過(guò)錳配體間質(zhì)子轉(zhuǎn)移及分子內(nèi)炔基輔助錳實(shí)現(xiàn)C-H活化等關(guān)鍵步驟,構(gòu)建了完整的錳催化循環(huán)。這個(gè)研究是自1989年發(fā)現(xiàn)該類(lèi)當(dāng)量反應(yīng)以來(lái)首次實(shí)現(xiàn)的錳催化的芳烴C-H烯基化反應(yīng)。

圖2 首例錳催化的芳烴與端炔的C-H烯基化反應(yīng)Fig.2 The first case of C-H alkenylation of aromatics with terminal alkynes catalyzed by manganese

隨后,錳催化的C-H鍵活化反應(yīng)蓬勃發(fā)展,通過(guò)①錳金屬與堿協(xié)同；②錳族金屬與酸協(xié)同；③錳金屬與配體協(xié)同的研究策略,建立了錳金屬有機(jī)催化的新體系,實(shí)現(xiàn)了一系列錳金屬催化惰性C-H鍵高效活化/轉(zhuǎn)化的新反應(yīng)和新方法實(shí)現(xiàn)。目前,具有獨(dú)特活性和選擇性的錳催化劑已廣泛地應(yīng)用于C-H活化烷基化、烯基化、炔基化、酰胺化、氰基化和簡(jiǎn)單的芳烴環(huán)化[4]。

1 錳催化的C-H鍵活化串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建稠合多環(huán)化合物

稠合多環(huán)類(lèi)化合物是一類(lèi)重要的具有廣泛生物活性的化合物,其合成受到了國(guó)內(nèi)外化學(xué)工作者的高度關(guān)注。構(gòu)建稠合多環(huán)骨架最有效的反應(yīng)模式之一是串聯(lián)反應(yīng),在合成稠合多環(huán)衍生物方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性。與一些傳統(tǒng)的方法比較,由于串聯(lián)反應(yīng)是將若干單元反應(yīng)按一定順序級(jí)聯(lián)反應(yīng),具有(1）無(wú)分離中間體,直接用于原位反應(yīng),從而簡(jiǎn)化了操作步驟。對(duì)于敏感的、不穩(wěn)定的中間體,這一優(yōu)點(diǎn)尤為突出(2）操作簡(jiǎn)單產(chǎn)率高,而且可以得到用一般方法難以得到獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu),大多具有很高的選擇性。目前為止,錳催化的C-H鍵活化通?？梢詷?gòu)建較為簡(jiǎn)單的環(huán)狀化合物,通過(guò)串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建復(fù)雜稠合多環(huán)化合物的報(bào)道仍然非常稀少。

1.1 錳催化C-H活化與烯烴串聯(lián)合成稠環(huán)

2017年,Ackermann課題組[5]發(fā)展了錳催化亞胺和亞甲基環(huán)丙烷的雙環(huán)環(huán)化反應(yīng)(圖3a）。王洪根課題組[6]利用Mn(I）和Ag(I）催化C-H活化與聯(lián)烯合成了類(lèi)似復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖3b）。作者利用同樣的Mn(I）催化體系,并在AgOTf的協(xié)同催化下,發(fā)生串聯(lián)催化反應(yīng),即先發(fā)生碳?xì)滏I烯丙基化反應(yīng),然后發(fā)生Povarov環(huán)化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一鍋法四環(huán)6-5-6-6雜環(huán)體系的快速構(gòu)建,取得了中等到良好的產(chǎn)率。隨后,王洪根課題組和Rueping課題組[7-8]還分別開(kāi)發(fā)了錳催化的C-H烯基化串聯(lián)Smile重排反應(yīng)獲得吡咯酮并吲哚衍生物(圖3c）。

圖3 錳催化C-H活化與烯烴串聯(lián)反應(yīng)Fig.3 Manganese-catalyzed C-H activation and series reaction with olefin

1.2 錳催化吲哚與1，6-二炔的串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)

2018年,陳萬(wàn)芝課題組[9]報(bào)道了在氧化條件下,錳催化吲哚和1,6-二炔之間的選擇性環(huán)化反應(yīng),以中等至良好的產(chǎn)率獲得了許多咔唑并環(huán)類(lèi)衍生物(如圖4所示）。稠環(huán)化合物的形成涉及錳催化的C-H鍵活化、炔烴插入和氧化脫氫的串聯(lián)環(huán)化,一鍋法構(gòu)建三個(gè)C-C鍵并形成咔唑并環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖4 錳催化吲哚與1,6-二炔的串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建咔唑并環(huán)類(lèi)化合物Fig.4 Manganese-catalyzed C-H activation of indole and series cyclization with 1,6-diyne to construct carbazoles

1.3 錳催化吲哚C-H活化與炔烴串聯(lián)周環(huán)反應(yīng)構(gòu)建稠合多環(huán)化合物

周環(huán)反應(yīng)可以方便地構(gòu)造復(fù)雜的多環(huán)結(jié)構(gòu),將錳催化C-H活化與周環(huán)反應(yīng)組合的策略是一種高效合成復(fù)雜稠合多環(huán)結(jié)構(gòu)的途徑。2018年,劉丙賢課題組[10]實(shí)現(xiàn)了Mn(I）催化吲哚的C-H活化和1,6-炔烯串聯(lián)反應(yīng)(如圖5所示）,并獲得了吲哚稠合苯酚產(chǎn)物。在Zn(OAc）2/PivOH的存在下,反應(yīng)經(jīng)連續(xù)的C-H活化烯基化、分子內(nèi)DA反應(yīng)和消除-芳構(gòu)化形成稠合苯酚。錳催化的選擇性與使用銠和鈷催化劑的報(bào)道相反,突出了錳催化劑的獨(dú)特反應(yīng)性和選擇性。

圖5 錳催化吲哚C-H活化構(gòu)建稠合苯酚衍生物Fig.5 Manganese-catalyzed C-H activation of indole to construct fused phenol derivatives

2019年,李興偉小組[11]報(bào)道了通過(guò)錳催化C-H活化和周環(huán)反應(yīng)合成八元和四元碳環(huán)化合物(如圖6）。Mn(I）催化的3-烯基/3-烯丙基吲哚與炔丙基碳酸酯的C-H活化烯丙基化接著β-消除形成聯(lián)烯中間體,隨后通過(guò)周環(huán)化或[2+2]環(huán)加成反應(yīng)分別得到稠合的八和四元碳環(huán)。兩種反應(yīng)體系均具有廣域性、官能團(tuán)相容性和高選擇性。

圖6 錳催化C-H活化串聯(lián)周環(huán)反應(yīng)合成八元和四元碳環(huán)化合物Fig.6 Synthesis of eight and four membered carbon ring compounds by manganese-catalyzed C-H activation via series pericyclic reactions

圖7 錳催化異芳烴和丙炔碳酸鹽Diels-Alder/retro-Diels-Alder串聯(lián)脫氰反應(yīng)Fig.7 Manganese-catalyzed series decyanation of isoaromatics via Diels-alder/Retro Diels-Alder reaction

隨后,李興偉課題組[12]報(bào)道了錳催化三類(lèi)雜環(huán)芳烴與丙炔碳酸酯之間的脫氰酸酯交換反應(yīng)(如圖7所示）。雜芳烴中的吡啶基/嘧啶基最初起導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)錳催化的C-H烯基化、形成聯(lián)烯中間體,然后它們與烯基部分進(jìn)行Diels-Alder/retro-Diels-Alder反應(yīng)合成稠合雜環(huán)。

2 結(jié) 語(yǔ)

近些年,錳催化C-H鍵活化反應(yīng)引起了人們的極大關(guān)注,并取得了爆炸性的進(jìn)展。但目前錳催化的C-H鍵活化通?？梢詷?gòu)建較為簡(jiǎn)單的環(huán)狀化合物,但是構(gòu)建較復(fù)雜的化合物的文章以及報(bào)道仍然非常少,具有一定的局限性。在溫和的條件下開(kāi)發(fā)高效、多用途的錳催化C-H鍵活化串聯(lián)反應(yīng)構(gòu)建復(fù)雜稠合多環(huán)化合物是一種非常理想的高效策略,近年來(lái)也取得一定的進(jìn)展。但目前錳催化串聯(lián)反應(yīng)合成稠合多環(huán)的導(dǎo)向基團(tuán)主要集中在含氮類(lèi)導(dǎo)向基團(tuán)上,如亞胺或吡啶/嘧啶基,需要拓展更多的雜原子導(dǎo)向基團(tuán)；反應(yīng)物主要集中在C-H鍵活化與烯烴或炔烴的串聯(lián)環(huán)化反應(yīng),需要嘗試設(shè)計(jì)更多耦合底物。我們相信,在不久的將來(lái)這一領(lǐng)域?qū)⑴畈l(fā)展,涌現(xiàn)出更多的錳催化C-H鍵串聯(lián)環(huán)化反應(yīng),為構(gòu)建復(fù)雜的稠合多環(huán)骨架提供高效的合成方法及策略。