基于卡宾体的催化 X-H 插入反应外文翻译资料

 2022-08-07 15:16:29

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于卡宾体的催化 X-H 插入反应

催化的 X-H 插入重氮化合物的反应(其中X是任何杂原子)是一种重要但未被充分利用的转化类别。下面的综述将探讨 X-H 插入的历史发展，并介绍最常用的金属催化剂的最新情况，包括对其优缺点的评估。尽管已有几十年的发展，但最近在对映选择性变体方面的工作，以及将催化 X-H 插入应用于化学生物学的问题表明，这一领域有充分的创新空间。

学习要点：

  1. X-H插入是一个未被充分利用的过程，具有进一步发展的巨大潜力。
  2. 金属-卡宾类化合物的反应活性比通常认为的要低，并且可以与各种常见的官能团相容。
  3. 不同配体类别的可用性重新激活了 X-H 插入的研究。许多金属表现不佳或在没有正确配体的情况下完全失活。
  4. 最近在铜和铁催化的 X-H 插入方面的突破应该刺激这些金属的进一步发展。
  5. X-H 插入可以在水中进行，为化学生物学的应用打开了大门

1. 简介

碳杂原子键在自然分子和人造分子中都是一个普遍存在的基序。因此，化学合成领域严重依赖于构建这种键类型的方法。主要由 Buchwald 和 Hartwig 开发的钯催化的 C-N和C-O偶联的广泛应用就是一个很好的例子。另一类碳杂原子转化经历了重大的发展，但仍未被更广泛的群体充分利用的是基于碳化物的 X-H 插入(XHIs) ，其中X以是氮、氧、硫、硒、磷或卤素。在这些反应中，通常由重氮前体原位生成金属-卡宾类化合物，然后与 X-H 键反应，以协调或逐步方式输送插入产物(见方案1)。合成社区中 XHI 反应的使用相当少，这掩盖了该过程的有利特征。例如，铑、铜、钌和铁催化的这种反应可以容忍一系列的反应条件和官能团，并且可以容纳各种杂原子供体。

方案1: XHI 总体方案。

最近发展了一系列以碳化物为基础的 N-H 和 O-H插入的对映选择性方法，再次扩大了这些方法的潜在适用性.

鉴于其悠久的历史，XHI 的不发达程度是令人惊讶的。在开创性的观察和默克公司随后证明 XHI 可以工业化使用之后(见图1中的图D ，这种反应的所有方面似乎都应该会很快得到完善，然而它在80年代和90年代的发展是零星的。类碳素领域的主要焦点是环丙烷化和 C-H 插入。XHI 发展缓慢的一个主要原因可能是通过经典的非催化裂解亲核置换反应可以很好的取代极性 X-H 键。然而，在过去的二十年中，催化领域已经在无数的案例中证明了由催化剂提供的模板和翻转的特性可以带来任何化学计量学过程所不能带来的好处。调整催化剂结构可以提供控制化学，非对映体，对映体，区域和位点选择性的前景。一个好的催化剂作为底物的模板和分子伴侣，可以引导它们在单个切片的表面上反应。因此，实现某种反应的良好化学计量方法并不会降低催化剂开发的重要性。今天的化学家的工作比以往任何时候都更大，更多样化，处理的分子结构都更加复杂。通过非催化过程可能无法实现大分子的选择性反应。XHI 领域在这方面的进展，即处理复杂系统中的催化作用，将在最后一节即化学生物学应用中进行讨论。

关于 XHI 的研究已经出现了许多优秀的评论，但是综合性的评论已经有十多年的历史了，而且最近的评论主要集中在反应的个别方面。此外，针对化学生物学的 XHI 的应用从未涉及过。这篇综述将通过引用开创性的研究介绍 XHI，然后对该领域进行一次短暂的考察，仅讨论其中的亮点。例子将仅限于X= O,S和 N的 XHIs。这种排除并不意味着忽视其他物质的重要性，但本次审查的重点是教育，选择的例子是为了代表该领域的重点研究。如有兴趣，读者可以参考较早的评论，全面了解 XHI 的历史发展和各种潜在的插入过程。

2. XHI 的早期里程碑

虽然早些时候已经报道了 XHI 的个别例子，但是 Casanova 和 Reichstein 在1950年报道的一个意想不到的观察结果可能促进了过渡金属催化的XHI的发展.。他们发现，当用甲醇中的氧化铜(一价)处理时，含有alpha;- 重氮酮基序的孕烯酮衍生物转化为alpha;-甲氧基酮，而不是预期的 Wolf 重排产物(图 A，图1)。此后不久，Yates进行了第一个以精细分解的铜为催化剂的XHI的系统研究。他发现各种X-H键如噻吩酚、苯胺、哌啶和乙醇可以与alpha;-重氮酮反应，从而得到 XHI 产物(图 B,图1)。这篇论文也是第一个揭示了涉及卡宾类中间体的反应机制。Nozaki，Noyori 及其同事后来在他们关于不对称催化的开创性论文中提出了铜稳定卡宾可能性的明确模型。1973年,在金属类碳化合物催化领域发表了两篇开创性的论文: 第一篇是Salomon 和 Kochi 发现在 Cu (II)或 Cu (0)名义催化的情况下，Cu (Ⅰ)也仍是铜类碳化合物化学中的催化活性氧化态。第二 篇是Teyssie 的论文，铑(II)醋酸盐(Rh2(OAc)4)是一种优良的催化剂，它可以将重氮化合物插入到羟基键中。Teyssie 的研究尤其开创了金属类碳化合物化学的一个新阶段，Rh2(OAc)4具有出色的反应性和高周转率(4小时内大约600周转) ，使其成为 XHI 在随后几年中密集研究的课题。Teyssie 发展的铑(II)化学的一个重要实际应用是1980年默克公司合成噻吩霉素(图 D，图1)。合成这种抗生素的关键步骤采用铑(II)催化的N-H插入。由于许多原因，该合成是一个里程碑，但在本综述的背景下，相关的要点包括: 在全合成中创造性地使用催化N-H插入，以及证明N-H插入即使在 b-内酰胺等应变分子中也能高效地进行。最近，杨的研究小组利用Rh2(OAc)4催化的分子内O-H插入，令人惊叹地完成了纳米晶体的合成(图 E，图1) ，12再次证明了 XHI 是实现碳杂原子转化的一种简单而优雅的方法。

3 . 卡宾化合物 XHI 的机理研究

一般认为类碳化合物与非极性键的反应(如环丙烷化反应，C-H插入反应或 Si-H插入反应)存在一致的反应机制。然而，对于极性XHIs,似乎更倾向于方案2所示的逐步叶利德反应机制。由于每一个过渡金属都可能导致一个稍微不同的途径，至少导致速率控制步骤(RDS)的变化，因此，更为细致的情况就变得复杂了。令人困惑的是，在许多情况下，动力学相关的步骤，尤其是铑和氮的损失，以输送金属-类碳化合物，使得实际的 XHI 的反应机理难以研究。尽管如此，方案2中通路的粗略描述似乎是正确的; 基本步骤的相对重要性仍不清楚。

尽管困难重重，许多实验和计算研究使我们对铑(II)、铜(Ⅰ)和铁(III)催化反应有了更深入的了解。这些将在下面的段落中挨个讨论。除非另有明确说明，否则在本综述的其余部分，任何有关步骤 A,B,C和D的参考资料均会参考图2所示的步骤。

3.1铜催化 XHIs 的机理研究

图 1开创性的观察(图 A-D)和最近在 XHI 化学中的应用(图 E)

然而，在铑(II)催化下，RDS 通常是一般机理中的步骤 B，根据计算，铜（Ⅰ）在步骤 A、 B和 D上具有相似的过渡态能量。因此，人们猜想含有铜（Ⅰ）体系的 RDS 会随所使用的特定铜盐和配体组合而变化。我们很快就会看到，这个预测在实验结果中得到了证实。然而，方案3提供了对铜催化剂反应途径的进一步观测。步骤A,B,C和D 引用了与方案2相同的一般步骤; 如果有可用的实验结果，则在方框中突出显示每个基本步骤的可信度。方案3的上面一行显示了一些潜在的底物或其他 Lewis 碱的配位模式，这些配位模式可能通过阻断关键的底物结合而减缓甚至中止铜的催化作用，其中一种配位模式与重氮苯甲酮(方案3的右上角结构)形成了晶体结构。重氮苯甲酮的负极碳与 Lewis 酸性游离铜的配位(步骤 A)是催化循环的第一个生产步骤。如步骤 B所示，从所得中间体中损失氮，然后结合类铜碳化合物。有限数量的这种铜卡宾类化合物(方案3中的结构2是一个典型的例子)已经在光谱学上得到了表征(x 射线，核磁共振)。当用烯烃处理时，许多这些稳定的卡宾类化合物经历了快速的环丙烷化，证实了它们在催化循环中的相关性。

方案 3铜（Ⅰ）催化的 XHI 反应的机理分析

正如前面提到的，XHI与铜配合物初级步骤中的许多过渡态似乎在能量上是接近的。Fructos 及其同事发现了一个例子，说明如何利用这一点来控制铜-类碳化合物转移的选择性。金属-类碳化合物反应中的一个常见问题是重氮起始物质的快速二聚化。然而，他们已经发现，如果催化剂是铜（Ⅰ）-氮杂环卡宾络合物，在方案4中没有观察到与乙基重氮乙酸乙酯(EDA)的反应(方案4的第一行)。只有当两种底物都存在时，才会发生 EDA 的快速消耗，导致预期的 XHI 或环丙烷化产物(方案4中的底线)。对这些观察结果的解释可能是底物的调节降低了过渡状态的能量从而得到类铜碳化物。这与大多数其他催化剂形成鲜明对比，其中反应可以有效抑制类碳素形成。尽管没有关于该系统的进一步机制研究报道，但这些观察结果突出了配体决定催化反应过程的能力。

方案 4用配体控制铜催化反应

3.2铑(II)催化 XHI 的机理研究

在铑(II)催化的反应中检测中间体相比于铜催化剂更难。因此，目前对铑(II)的大部分机理理解来自计算研究和动力学分析。Pirrung 和莫尔黑德对各种铑(II)配合物进行了详细的动力学处理，结果表明，在任何给定的时间内，两个可用的轴向配位中只有一个具有催化活性(见方案5)。他们还发现，Lewis 碱性抑制剂可能占据第二个配位，这种相互作用阻碍了催化剂的活性。尽管他们没有研究 XHI 过程，但他们的结果与当前的主题特别相关，因为 XHI 的底物必然含有 Lewis 碱基，因此具有潜在的抑制组成。方案5中显示了处理抑制的动力学场景的模型。虽然莫尔黑德和 Pirrung 的动力学分析的主要结果很容易理解，但这些结果是相当复杂的，可能需要读者回顾混合抑制酶动力学。简言之，起始铑(II)配合物有两个空的轴向配位点，既可以结合到底物(Km)上，也可以被 Lewis 碱(方案5中的Ⅰ，路径 Ki1和 Ki2)抑制。底物结合的铑复合物(来自路径 Km)然后可以失去氮以结合铑-C(路径 Kcat)。或者一个轴向位点被抑制剂和另一个底物分子结合的铑配合物也可能最终导致必需的铑-卡宾类化合物(beta;kcat)。在不同抑制剂和底物浓度下初始反应速率的动力学分析可以得出方案5中的重要参数。他们表明，至少在抑制剂浓度为50毫米或更低时，beta;kcat 途径对催化作用没有贡献，aKi1途径对总反应通量贡献较小。因此，大多数催化转换根据方案5顶部的路径发生。这些结果对于 XHI 是重要的，因为它可能是在存在强烈的 Lewis 碱基底物 对XHI 所需的 Ki1-aKm-aKi1-Kcat 途径来说是一个重要的催化剂贡献者。最后要注意的是，在所有反应中他们检测了氮的损失是由于 RDS的发生。

虽然它们从未被观察到，但对于叶立德过程和铑(II)的 XHI 过程(方案2中的步骤 C)相关性，可以从叶立德中间体被亚胺亲电体捕获或甚诱导成重排途径而不是机制方案中步骤D所示的[1,2]质子位移的例子中推断出来。这些实验不仅为叶立德中间体的存在提供了证据，而且还表明，与计算结果一致，即[1,2]质子位移具有惊人的高活化屏障。

方案 5缓蚀剂对铑催化作用的动力学分析

3.3铁(III)催化 XHIs 的机理研究

虽然铁在催化 XHI 中的应用不如铜和铑广泛，但 Gross和 Woo独立开发的N-H插入铁(III)-咔咯和卟啉体系表明，铁(III)催化是通过一种独特的机制进行的。Gross更倾向于无类碳素途径，而 Woo提出了配体加速机制。

如方案6所示，铁(III)配合物可以在几分钟内提供多达1000个周转的N-H插入产物。有趣的是，在铁催化剂存在下的 EDA 完全不反应。只有当胺被加入时，氮的快速演化才会发生。此外，其他类型的底物，通常参与反应与金属类卡宾，如烯烃或醇，要么完全不反应要么慢于N-H 插入过程多个数量级。含氮底物作为促进快速卡宾形成的辅助配体与用于形成N-H插入的烯烃和胺发生竞争反应的可能性似乎不大。Gross 认为，这表明了一种无碳化合物的途径，该途径涉及铁结合的 EDA 分子上离开氮基的胺直接亲核取代。另一方面，Woo 观察到在 Lewis 碱性胺存在下 EDA 的偶联加速，这似乎支持胺加速类碳化合物途径的推测。

方案 6 铁(III)和卟啉配合物显示出独特的反应性，符合非卡宾途径，或卡宾途径，是活化的胺配体的存在

4. XHI 催化剂的要点

图2所示为类碳素插入催化剂的元素周期表。第8-11组中的每一种金属都被用来生成和转移类碳素。表中的字体缩放是为了对每种金属在催化反应中的广泛应用程度进行定性评估; 最小字体的元素(Co、 Ni、 Pd、 Pt、 Os、 Ir)已应用于类碳化合物化学，但在 XHI 中很少或根本没有应用。

图 2碳化物转移反应的金属。字体缩放意味着定性地传达每种金属的有效性

显然，许多金属在反应中是活跃的，但是铜（Ⅰ）和铑(II)已经被证明是最多用途的。

1973年 Teyssie 首次使用 Rh2(OAc)4分解 EDA 生成铑-卡宾类中间体，随后 O-H插入，然后生成醚。后来他们报道，铑羧酸盐也是 N-H和S-H插入的有效催化剂。这些开创性的研究为40年来铑(II)催化剂的深入研究奠定了基础。因此，底物的范围已经被广泛地扩大到包括脂肪胺、苯

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[259449]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章