鈷催化的動(dòng)力學(xué)控制的區(qū)域選擇性烯烴異構(gòu)化反應(yīng)
烯烴的異構(gòu)化反應(yīng)是有機(jī)合成中一類非常重要的反應(yīng)過程。該方法既可用于高效制備其他方法難以直接合成的內(nèi)烯烴產(chǎn)物，又可通過碳碳雙鍵這一高反應(yīng)活性官能團(tuán)在底物上的遷移過程最終實(shí)現(xiàn)底物分子中初始碳碳雙鍵遠(yuǎn)端位置的官能團(tuán)化反應(yīng)。如圖1a所示，所有的烯烴異構(gòu)化反應(yīng)都是熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化。盡管目前已經(jīng)發(fā)展了眾多高效的催化體系可用于烯烴的異構(gòu)化反應(yīng)，但是選擇性控制仍然是此類反應(yīng)的難點(diǎn)所在。熱力學(xué)控制的反應(yīng)選擇性調(diào)控相對(duì)容易，例如烯丙基醇的異構(gòu)化反應(yīng)（圖1b），只要雙鍵在碳鏈上的遷移過程是迅速而且可逆的，那么反應(yīng)的主要產(chǎn)物必然是熱力學(xué)上更穩(wěn)定的醛類化合物。而實(shí)際合成工作中，異構(gòu)化反應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物不一定是熱力學(xué)最穩(wěn)定的烯烴異構(gòu)體，這類反應(yīng)的選擇性調(diào)控是更加困難的。例如，在1-烯烴至2-烯烴的選擇性轉(zhuǎn)化（圖1c）反應(yīng)中，雙鍵可能繼續(xù)發(fā)生遷移生成能量相近的其它烯烴異構(gòu)體。要想控制反應(yīng)的2-位選擇性，催化劑必須能夠區(qū)分1-烯烴和2-烯烴在反應(yīng)活性上的差別使得反應(yīng)活化能ΔG≠1<ΔG≠2，目前可高效地實(shí)現(xiàn)該選擇性調(diào)控的催化劑鮮有報(bào)道。最近，我系劉強(qiáng)課題組和焦雷課題組合作發(fā)展了一類鈷催化的動(dòng)力學(xué)控制的選擇性烯烴異構(gòu)化反應(yīng)。在此工作中，作者系統(tǒng)研究了1，1-雙取代烯烴的異構(gòu)化反應(yīng)（圖1d），當(dāng)反應(yīng)底物中有兩個(gè)可能的反應(yīng)位點(diǎn)a，b時(shí)，碳碳雙鍵能夠高選擇性地遷移至位阻較小的a端。要有效調(diào)控這類反應(yīng)的選擇性，就要求所使用的催化劑不僅具有高的反應(yīng)活性，還能夠非常精準(zhǔn)地識(shí)別底物上R 基團(tuán)所引起的微小位阻效應(yīng)差別，使得反應(yīng)活化能ΔG≠2<ΔG≠1，ΔG≠3，無疑是更加具有挑戰(zhàn)性的。
圖一.幾類典型的烯烴異構(gòu)化反應(yīng)勢能面
作者所發(fā)展的一類鉗形鈷催化體系，可以應(yīng)用于環(huán)狀以及鏈狀1，1-雙取代烯烴的異構(gòu)化反應(yīng)【圖二，eq.（1）】，還可以實(shí)現(xiàn)1a至2a的高效、高選擇性異構(gòu)化反應(yīng)【圖二，eq.（2）】，這是焦雷課題組最初設(shè)計(jì)的天然產(chǎn)物Minfiensine全合成工作中的關(guān)鍵步驟，而傳統(tǒng)的酸促進(jìn)的1a異構(gòu)化反應(yīng)則主要生成雙鍵遷移至另一側(cè)的產(chǎn)物3a（2a：3a=1：2.3）。此外，作者在端烯γ位引入取代基團(tuán)R，可以有效地控制1-烯烴向2-烯烴的選擇性轉(zhuǎn)化【圖二，eq.（3）】。
圖二.鈷催化的區(qū)域選擇性的烯烴異構(gòu)化反應(yīng)
在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，作者提出了金屬氫遷移插入/β-氫消除的反應(yīng)機(jī)制（圖三），其中β-氫消除步驟決定了異構(gòu)化反應(yīng)的區(qū)域選擇性。結(jié)合DFT計(jì)算，作者對(duì)于β-氫消除過程兩種可能的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)（TS2a及TS2b）進(jìn)行分析。在TS2b中，配位的吡啶基團(tuán)和底物分子的間位取代基團(tuán)R存在排斥作用，而這種相互作用在優(yōu)勢過渡態(tài)TS2a中是不存在的，從而解釋了配體效應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)的區(qū)域選擇性調(diào)控。
圖三.烯烴異構(gòu)化反應(yīng)機(jī)理
這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上（Xufang Liu, Wei Zhang, Yujie Wang, Ze-Xin Zhang, Lei Jiao* and Qiang Liu*J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b01815），論文第一作者為我系16級(jí)博士研究生劉旭芳同學(xué)。
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