劉強(qiáng)課題組：堿/鈷串聯(lián)催化端炔遷移氫化反應(yīng)研究
有機(jī)合成反應(yīng)通常發(fā)生在底物分子中活性最高的反應(yīng)位點(diǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)底物分子中非反應(yīng)活性位點(diǎn)的官能團(tuán)化反應(yīng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。烯烴的遷移官能團(tuán)化反應(yīng)通過結(jié)合烯烴異構(gòu)化反應(yīng)以及后續(xù)烯烴官能團(tuán)化反應(yīng)可以高效實(shí)現(xiàn)初始反應(yīng)位點(diǎn)遠(yuǎn)端官能團(tuán)化（圖1a）。鑒于其在合成方面的重要意義，目前這類反應(yīng)轉(zhuǎn)化已經(jīng)得到了廣泛的研究和合成應(yīng)用。與之相比，炔烴的遷移官能團(tuán)化反應(yīng)鮮有報(bào)道，通過這類反應(yīng)轉(zhuǎn)化可以實(shí)現(xiàn)端炔至內(nèi)烯烴產(chǎn)物的高效合成（圖1b）。清華大學(xué)劉強(qiáng)課題組設(shè)想利用這類策略實(shí)現(xiàn)端炔的遷移氫化反應(yīng)，從而高效、高選擇性地構(gòu)建多種內(nèi)烯烴產(chǎn)物。
圖1.烯烴vs炔烴遷移官能團(tuán)化反應(yīng)
烯烴合成的一個(gè)關(guān)鍵問題是實(shí)現(xiàn)其立體選擇性控制。其中，實(shí)現(xiàn)2-烯烴制備的Z式選擇性控制仍然是有機(jī)合成領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)。目前所發(fā)展的合成(Z)-2-烯烴常用的方法有：wittig 反應(yīng)，端烯異構(gòu)化反應(yīng)，但是這兩類反應(yīng)的Z/E選擇性并不高。此外，通過交叉偶聯(lián)反應(yīng)制備(Z)-2-烯烴需要在底物分子中預(yù)先引入(Z)-烯烴結(jié)構(gòu)單元。2-炔烴的半氫化反應(yīng)是合成(Z)-2-烯烴一類有效的方法，然而2-炔烴的制備通常需要從端炔出發(fā)并使用非常敏感的丁基鋰試劑以及劇毒的碘甲烷，從而造成此類方法反應(yīng)原子經(jīng)濟(jì)性不高，官能團(tuán)兼容性具有一定的局限性（圖2）。
圖2. (Z)-2-烯烴的合成方法
堿促進(jìn)的端炔異構(gòu)化反應(yīng)是一個(gè)經(jīng)典的反應(yīng)轉(zhuǎn)化，但是這一反應(yīng)并沒有被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代有機(jī)合成研究中。因此，課題開展之初，作者對堿催化的端炔異構(gòu)化反應(yīng)進(jìn)行了簡單的考察。結(jié)果表明，僅有叔丁醇鉀（KOtBu）能夠高效實(shí)現(xiàn)端炔至2-炔烴的選擇性轉(zhuǎn)化。作者希望這一堿催化異構(gòu)化體系能夠與后續(xù)炔烴氫化的反應(yīng)體系相兼容，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)端炔異構(gòu)化/內(nèi)炔半氫化反應(yīng)。最近，劉強(qiáng)課題組發(fā)展了一類卡賓-鈷催化的酮和酯的氫化反應(yīng)，其中，叔丁醇鉀可以用作催化劑前體的活化試劑【Chem, 2019, 5, 1552; Chin. J. Chem. 2019, 37, 1125】。基于前期這些研究基礎(chǔ)，作者設(shè)想以簡單易得的端炔作為原料，發(fā)展串聯(lián)堿催化端炔異構(gòu)化/卡賓-鈷催化內(nèi)炔半氫化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)(Z)-2-烯烴的高選擇性合成，而堿在其中起到兩個(gè)關(guān)鍵的作用（圖3）。實(shí)現(xiàn)串聯(lián)反應(yīng)的化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性以及立體選擇性的協(xié)同控制是這一策略的難點(diǎn)所在，這就要求我們所發(fā)展的鈷催化氫化體系能夠選擇性地氫化炔烴而不具備烯烴過還原以及烯烴異構(gòu)化反應(yīng)的活性。
圖3. (Z)-2-烯烴的合成策略
作者結(jié)合堿（叔丁醇鉀）催化的端炔至2-炔烴的異構(gòu)化反應(yīng)以及卡賓-鈷催化的內(nèi)炔半還原反應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了端炔至(Z)-2-烯烴的遷移氫化反應(yīng)（圖4a）。此外，對反應(yīng)條件進(jìn)行簡單的調(diào)整即可以實(shí)現(xiàn)炔烴直接氫化反應(yīng)，高選擇性地合成端烯烴以及(Z)-內(nèi)烯烴（圖4b）。為了進(jìn)一步拓展該串聯(lián)反應(yīng)的產(chǎn)物類型，作者設(shè)想將端炔異構(gòu)化生成其它異構(gòu)體再串聯(lián)氫化反應(yīng)，選擇性構(gòu)建遠(yuǎn)端雙鍵結(jié)構(gòu)。經(jīng)過條件優(yōu)化，作者發(fā)現(xiàn)升高反應(yīng)溫度、增加堿的用量，端炔能夠異構(gòu)化至熱力學(xué)更穩(wěn)定的1,3-二烯中間體，從而實(shí)現(xiàn)端炔至共軛(E)-烯烴的選擇性合成（圖4c）。
劉強(qiáng)課題組所發(fā)展的這一串聯(lián)催化反應(yīng)體系能夠很好地控制反應(yīng)的區(qū)域選擇性、化學(xué)選擇性以及立體選擇性，為發(fā)展其它類型的炔烴遷移官能團(tuán)化反應(yīng)提供了新思路。
圖4. 鈷催化的端炔至(Z)-2-烯烴、端烯、內(nèi)烯以及共軛(E)-烯烴的多樣性合成反應(yīng)
這一成果近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是清華大學(xué)博士研究生劉旭芳。
論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201916014
Migratory Hydrogenation of Terminal Alkynes by Base/Cobalt Relay Catalysis
X. Liu, B. Liu, Q. Liu*, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 6750.
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