激发态钯催化的Mizoroki-Heck反应方法学研究

研究论文介绍

2022/8/31
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Author:CS editor

本文作者:自由基先生

导读

近日，New York大学的M. Ngai课题组在J. Am.Chem. Soc.中发表论文，报道首例通过激发态Pd催化的1-溴代糖类分子 (1-bromosugar)与烯基化合物之间的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应方法学，进而成功实现一系列糖类化合物的C2-烯基化。这一全新的自由基迁移Mizoroki-Heck反应策略具有优良的官能团兼容性以及良好的合成应用价值等优势。

Excited-State Palladium-Catalyzed Radical Migratory Mizoroki-Heck Reaction Enables C2-Alkenylation of Carbohydrates, W. Yao, G. Zhao, Y. Wu, L. Zhou, U. Mukherjee, P. Liu, M. Ngai,J. Am. Chem. Soc.2022,144, 3353. doi:10.1021/jacs.1c13299.

正文

在当代有机合成化学研究中，成功实现一系列拟糖物 (glycomimetic)分子的构建，仍面临诸多挑战 (Figure 1A)^[1]-[2]。这里，受到通过激发态钯^[3]催化剂参与的1,5-、1,6-以及1,7-RMMH (radical migratory Mizoroki-Heck)反应方法学 (Figure 1B)^[4]以及Giese团队对于1-糖基自由基 (1-glycosyl radical)经历1,2-CSC (spin-center shift)，同时伴随酰氧基迁移过程，形成deoxypyranosan-2-yl自由基^[5]相关研究报道的启发，M. Ngai研究团队成功设计出首例通过激发态Pd催化的1-溴代糖类分子 (1-bromosugar)与烯基化合物之间的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应方法学，进而成功实现一系列糖类化合物的C2-烯基化。

首先，作者采用1-葡萄糖基溴 (1-glucosyl bromide)1a与苯乙烯2a作为模型底物，进行相关反应条件的优化筛选 (Table 1)。进而确定最佳的反应条件为：采用Pd(PPh₃)₄作为催化剂，XantPhos作为配体，K₃PO₄作为碱，苯作为反应溶剂，反应温度为90^oC，在34W蓝光LED辐射存在的条件下，最终以83%的反应收率获得相应的C2-烯基化产物3a(ax:eq = 4.2:1)。

在上述的最佳反应条件下，作者进一步对一系列烯基底物以及1-溴代糖类底物 (Table 2)的应用范围进行如下考察。

之后，该小组通过如下的一系列研究进一步表明，这一全新的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应策略具有潜在的合成应用价值 (Table 3-4)。

接下来，作者通过Stern-Volmer荧光猝灭实验 (Stern-Volmer luminescence quenching experiment)研究表明，1-溴代糖分子对于激发态Pd催化剂的猝灭更为有效 (Figure S2)。之后，作者通过相关的自由基捕获实验 (Figures 2A)发现，反应过程中涉及1-glycosyl 自由基中间体的形成。同时，该小组通过立体化学分析(Figures 2B)进一步表明，反应过程涉及C2-自由基的产生。之后，作者通过KIE实验发现，反应过程中存在相应的一级动力学同位素效应^[6](Figure 2C)。同时，作者通过light on/off实验 (light on/off experiment)以及量子产率 (ϕ = 0.15)的测定(Figure 2D)，进一步排除相关的extended radical chain机理。并且，该小组通过DFT计算进一步发现，反应过程中，苄基自由基IV与[Pd^I]Br重新结合，并通过后续的β-H 消除步骤，获得产物3为能量最为有利的反应路径(Figure 2E &Figures S9−S13)。

基于上述的实验研究，作者提出如下合理的反应机理 (Figure 2F)。实现，通过[Pd⁰]催化剂的光激发步骤，形成激发态的[Pd⁰]*物种，之后通过[Pd⁰]*攫取1中的溴原子，形成烷基自由基/Pd(I)中间体 II，并通过构象改变(IIa)，经历相关的1,2-SCS (1,2-spin-center shift)以及协同的[2,3]-酰氧基重排^[7]过程 (IIb)，进一步形成C2-自由基/Pd(I)中间体 III，之后经历进一步的自由基加成过程，形成中间体IV，再与[Pd^I]重新结合，进而经历后续的β-H消除过程，最终获得相应的目标产物3与H[Pd^II]Br配合物。同时，H[Pd^II]Br配合物通过碱协助的HBr还原消除过程，进而实现反应活性[Pd⁰]催化剂的再生。

总结

New York大学的M. Ngai研究团队成功设计出首例通过激发态Pd催化的1-溴代糖类分子 (1-bromosugar)与烯基化合物之间的1,2-自由基迁移Mizoroki-Heck反应方法学，进而顺利完成一系列糖类化合物的C2-烯基化。这一全新的自由基迁移Mizoroki-Heck反应策略表现出高度的官能团兼容性、广泛的底物应用范围以及良好的合成应用价值等优势。

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