咨询电话:021-58952328
Chem. Commun. |微波促进有机酸碱共催化苯乙烯基环氧发生Meinwald 重排与环化的串联反应2020-11-12

导读:串联反应作为有机合成化学中一类高效转化方法,可省时省料地实现一锅多组分反应。经过二十多年的发展与应用,串联反应在有机合成方法学中已显示出独特的价值。同时,有机酸碱共催化体系在最近几年里也因其高效的协同催化作用,受到人们的普遍关注。鉴于这样的思考,若有机酸碱共催化结合到串联反应,将串联反应过程中的每一步都经过催化,那么这个反应“机器”是否运转得更高效呢?

    Meinwald重排反应是环氧化合物经酸催化发生1,2-氢或烷基迁移开环得到醛酮化合物的一类有机人名反应,且已广泛应用于药物及天然产物全合成中;若具有离去能力的亲核试剂经过该重排反应还可单一得到酮化合物。烯丙基或苯乙烯基环氧作为双官能团的活性环氧化合物,高张力的氧杂环丙烷和与其共轭的碳碳双键的结构在亲核开环反应,重排反应,自由基反应及环加成反应展现出强反应活性的特点。如在烯丙基氧杂环丙烷重排反应体系中,可发生热力学重排生成2,3二氢呋喃;过渡金属催化开环重排得2,5-二氢呋喃和在路易斯酸催化条件下发生Meinwald重排和加成的串联反应得β,γ-不饱和醛,后者可进一步转换成α,β-不饱和醛,为后续串联反应提供共轭加成反应位点。

图:烯丙基环氧发生Meinwald重排加成的串联反应

(来源“Chem. Comm.”)

    因此,我们以苯乙烯基氧杂环丙烷为底物,经过Meinwald重排原位得到不饱和醛,然后在酸碱共催化条件下,一步串联发生Michael加成和aldol 缩合反应得到[1,1'-biaryl]-3-carbaldehydes化合物。

图:芳香乙烯基环氧发生Meinwald重排环化的串联反应

(来源“Chem. Comm.”)

    我们以苯乙烯基环氧丙烷为模板底物,对反应条件进行了优化。值得说明的是,在反应体系中严格无酸催化条件很难实现,微量的水及硅胶柱本身的酸性性质都会被当做酸催化条件。因此,我们首先优化了不同的有机碱及其当量,包括三乙胺, N,N-diisopropylethylamine (DIPEA), Nmethylmorpholine, N-methylimidazole, 2-chloro, 4-methyl, and 2,6-dimethylpyridines, 4-dimethylaminopyridine (DMAP), and 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU)等,发现三乙胺在165度24小时条件下可有效转换成59%的目标化合物。接着优化共催化的酸催化剂,发现TsOH-H2O与三乙胺结合催化可得84%的2a。后续我们对反应温度及反应时间都进行了较系统优化,发现在微波促进条件下,均三甲基苯200度条件下反应1小时,可得最佳反应效果(entry 5)

图:条件优化

(来源“Chem. Comm.”)

    在最佳反应条件下,我们对结构多样的苯乙烯基环氧丙烷进行了底物拓展工作。1b-1k底物不管含有富电子还是缺电子基团都展示出相似的反应活性,得到41%-98%产率的相对应的目标化合物。另外,当底物含有三取代的烯烃结构(1l)在该条件也能顺利反应,但以57:43的E/Z比例得到稳定的不饱和醛3l

图:底物拓展

(来源“Chem. Comm.”)

    接着,我们进行了机理控制实验,以验证反应过程中经历的可能历程。实验说明,反应经历了Michael 加成, aldol 缩合,及 aromatization的过程;另外,三乙胺在加速羰基烯醇化及异构化等过程中起到重要的作用。

图:机理控制实验

(来源“Chem. Comm.”)

    最后,我们提出该反应体系经历了一个有机酸碱共催化下的 Meinwald rearrangement/ Michael addition / aldol condensation / aromatization 的一系列串联反应过程。副产物甲苯也经过GC-MS检测得到确认,并且该类含苯化合物由羰基前体经过碱性条件下生成的例子先前也已由Trofimov’s 和 Ghorai’s 课题组报道。

图:提出的机理

(来源“Chem. Comm.”)

总结

    我们课题组报道了微波促进苯乙烯基环氧丙烷在有机酸碱共催化条件下,

经过 Meinwald 重排, 碱催化的 Michael加成, aldol缩合,芳构化的一系

列串联过程,得到一系列[1,1'-biaryl]-3-carbaldehydes 化合物的方法。

该方法具有高效便捷,无金属催化等优势,为[1,1'-biaryl]-3-carbaldehydes的合成方法提供了一种新颖的思路。

     该项工作由已毕业的硕士生师毅和博士生李思琦共同完成,大四本科生

鲁杨,赵梓珍为第二、三作者,李平凡老师和许家喜老师为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金(21572017,21772010和534 21911530099)和中央高校基本科研专项资金(XK1802-6)的资助。    “Microwave-Assisted Organic Acid-Base-Co-Catalyzed Tandem Meinwald Rearrangement and Annulation of Styrylepoxides”. Yi Shi, Siqi Li, Yang Lu, Zizhen Zhao, Pingfan Li* and Jiaxi Xu* , Chem.Commun., 2020, 56,2131 .DOI: 10.1039/C9CC09262E.