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上海有機(jī)所Science：烷基鹵化物氧化加成形成穩(wěn)定的 Cu(III) 產(chǎn)物

2023-09-26 13:50 作者:樂研試劑 0人讀過 | 我要投稿

1、背景

　　銅催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)成為構(gòu)建碳-碳(C?C)和碳-雜原子鍵(C-X)最有效的方法之一。該領(lǐng)域的研究主要集中在sp2、sp3雜化碳親電體的偶聯(lián)上。最近很多關(guān)于銅催化或銅介導(dǎo)的炔基化、烷基化、芳基化和氨化烷基鹵化物取得了新進(jìn)展。雖然利用銅進(jìn)行烷基親電體的交叉偶聯(lián)反應(yīng)的范圍得到了拓展，但是對于這些反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)知仍然很有限。

　　在銅催化的烷基親電體交叉偶聯(lián)反應(yīng)中，先前提出了兩個(gè)不同的反應(yīng)循環(huán)。一個(gè)循環(huán)包括一個(gè)雙電子Cu(I)/Cu(III)過渡態(tài)，另一個(gè)循環(huán)則包括一個(gè)逐步進(jìn)行的Cu(I)/Cu(II)過渡態(tài)，其中涉及銅(I)中心與烷基親電體之間的單電子轉(zhuǎn)移(SET)，生成Cu(II)中間體和烷基自由基，然后將功能基團(tuán)從形成的Cu(II)物種轉(zhuǎn)移到烷基自由基上(圖1A)。

　　在2000年代早期，Bertz、Ogle和Gschwind小組研究表明，烷基碘化物與離子型Gilman試劑的反應(yīng)可以產(chǎn)生Cu(III)物種，并在低于-93°C的溫度下，通過快速注入核磁共振(RI-NMR)技術(shù)進(jìn)行了表征(圖1C)。然而，即使在這個(gè)溫度下，Cu(III)中間體的形成速度也很快，使得對烷基鹵化物與Cu(I)物種反應(yīng)機(jī)理的研究具有挑戰(zhàn)性。

　　為了探索是否可以通過烷基鹵化物與Cu(I)物種的反應(yīng)生成Cu(III)中間體，并確定該中間體如何從烷基親電體在銅介導(dǎo)或銅催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)中形成，作者推斷必須滿足兩個(gè)要求：(i)必須使用具有較高還原電位的烷基親電體，以使Cu(I)物種形成Cu(III)物種的過程在熱力學(xué)上是有利的;(ii)從Cu(III)中間體進(jìn)行還原消除的能壘必須高于形成Cu(III)物種的氧化加成的能壘(圖1B)。

　　基于上述原理，作者研究了烷基鹵化物與三氟甲基Cu(I)配合物的反應(yīng)(圖1)。

2、分離和表征Cu(III)產(chǎn)物

　　作者最初研究了[Ph4P]+[Cu(CF3)2]?(1a)或中性Cu(I)配合物[(bpy)Cu(CF3)](1b)與鹵代乙腈ClCH2CN(2-Cl)、BrCH2CN(2-Br)、ICH2CN(2-I)或烷基對甲苯磺酸酯TsOCH2CN(2-OTs)的反應(yīng)(圖2A)。復(fù)合物3a的結(jié)構(gòu)通過單晶X射線衍射進(jìn)行確認(rèn)，顯示出典型的方陣幾何構(gòu)型(圖2C)。作者推測復(fù)合物3a和1c是由氧化加成產(chǎn)物[Ph4P]+[Cu(CF3)2(CH2CN)(Br)]?與Cu(I)配合物[Ph4P]+[Cu(CF3)2]?(1a)的轉(zhuǎn)金屬化反應(yīng)生成的。

　　在類似條件下，1b配合物與碘化物2-I的反應(yīng)也迅速發(fā)生，并分別以67%和11%的產(chǎn)率生成trans-4和cis-4(圖2B)。與銅酸鹽1a相比，中性配合物1b與氯化物2-Cl在室溫下僅經(jīng)過1小時(shí)的反應(yīng)就以49%的產(chǎn)率生成trans-4(圖2B)。這些快速的反應(yīng)速率表明，中性Cu(I)配合物1b對于烷基鹵素的反應(yīng)性要比離子態(tài)Cu(I)配合物1a高得多，反映出一定的配體加速效應(yīng)(圖2D)。離子態(tài)和中性態(tài)Cu(I)物種對溶劑極性的不同敏感性表明，這些Cu(I)配合物可能通過不同的機(jī)制與烷基鹵化物反應(yīng)。

3.動(dòng)力研究

　　動(dòng)力學(xué)研究表明，與ate配合物的反應(yīng)在1a復(fù)合物和溴化物2-Br中都是一階反應(yīng)(圖3A和圖S3至S6)。根據(jù)圖3C中所示的Eyring分析，-5°C下，復(fù)合物1b與溴化物2-Br的反應(yīng)速率常數(shù)約為0.37 M?1·s?1，是與氯化物2-Cl的反應(yīng)速率的100倍左右。這些離子型和中性Cu(I)物種的反應(yīng)速率依賴于C-X鍵強(qiáng)度和烷基鹵化物的脫離基團(tuán)能力，與典型的Cu(I)催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)一致。

　　為了評估烷基溴化物的空間位阻特性對Cu(I)配合物反應(yīng)的影響，作者研究了Cu(I)配合物[Ph4P]+[Cu(CF3)2]?(1a)與二級烷基鹵化物2-溴丙腈(2-Br-Me)和三級烷基鹵化物2-甲基-2-溴丙腈(2-Br-Me2)的反應(yīng)(圖2A)。研究結(jié)果表明，反應(yīng)生成了異丁腈自由基，由于其立體位阻太大，無法與三氟甲基Cu(II)物種結(jié)合，而是從溶劑中提取一個(gè)氫原子。

　　3.1 抑制研究

　　為了探究XCH2CN與Cu(I)配合物[Ph4P]+[Cu(CF3)2]?(1a)和[(bpy)Cu(CF3)](1b)之間的氧化加成是否經(jīng)由自由基中間體進(jìn)行，并且是否可能通過初始的單電子轉(zhuǎn)移(SET)生成潛在的自由基，結(jié)果表明，1a或1b與溴代乙腈的氧化加成過程中生成了烷基自由基，但在任何情況下，SET過程都不太可能導(dǎo)致自由基的生成。

　　3.2 配體的影響

　　復(fù)合物1b中的雙吡啶配體原則上可以從金屬中心解離，形成一個(gè)更少有立體障礙的中間體，該中間體可以與鹵代烷反應(yīng)。數(shù)據(jù)表明，在限制速率的氧化加成反應(yīng)中，先前不會(huì)出現(xiàn)配體可逆解離的情況。

4.機(jī)理研究

　　為了進(jìn)一步定義鹵代乙腈與離子或中性Cu(I)物種的反應(yīng)機(jī)理，作者使用PBE0-D3(BJ)泛函進(jìn)行了密度泛函理論(DFT)計(jì)算。基于先前關(guān)于銅介導(dǎo)的交叉偶聯(lián)反應(yīng)機(jī)理的提議和本研究中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了五種不同的途徑來解釋鹵代乙腈與離子和中性Cu(I)配合物的氧化加成(圖4)。

　　基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和DFT計(jì)算，作者得出結(jié)論：離子Cu(I)配合物[Ph4P]+[Cu(CF3)2]?(1a)與BrCH2CN(2-Br)的反應(yīng)可能通過兩種不同的途徑進(jìn)行，主要通過一個(gè)SN2型過程(途徑A)，次要通過一個(gè)XAT過程(途徑D)。作者還得出結(jié)論：中性Cu(I)配合物[(bpy)Cu(CF3)](1b)與ClCH2CN(2-Cl)的反應(yīng)可能完全通過XAT過程進(jìn)行(途徑D)。

圖4 對于鹵代乙腈與離子性或中性Cu(I)配合物的氧化加成，提出了五種途徑，并使用密度泛函理論計(jì)算了每個(gè)物種的自由能。

5.總結(jié)

以往關(guān)于銅催化的交叉偶聯(lián)機(jī)制的提議通常涉及Cu(I)/Cu(II)的氧化還原循環(huán)，這是基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)中有自由基的存在。通常是通過自由基捕捉劑的淬滅實(shí)驗(yàn)或自由基時(shí)鐘底物的外消旋化或重排得出的。文章研究表明，在這些經(jīng)由XAT反應(yīng)路徑進(jìn)行的過程中，自由基可能參與到烷基鹵化物與Cu(I)的氧化加成反應(yīng)中，形成Cu(III)中間體。將C(sp3)-X鍵的氧化加成到Cu(I)物種中通常被認(rèn)為是銅催化的烷基電離子交叉偶聯(lián)反應(yīng)的限速步驟，但僅對這一基元步驟的研究很少，主要是由于銅中間體的固有不穩(wěn)定性。因此，本研究中關(guān)于C(sp3)-X鍵氧化加成到Cu(I)的示例可能有助于開發(fā)更高效的銅催化烷基親電體交叉偶聯(lián)反應(yīng)。

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1、聯(lián)吡啶三(三氟甲基)銅 | (bpy)Cu(CF3)3 | 1680206-12-5 - 樂研試劑