ACS Catal. 武大雷爱文课题组钴催化的电化学氧化C-H / N-H键羰基化
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导读
一氧化碳是来源丰富而廉价的羰基源，其被广泛用于含有羰基的天然产物、活性药物分子及功能材料的合成。使用一氧化碳，通过过渡金属催化氧化实现C-H/C(X)-H键的羰基化是一类具有步骤、原子经济性的羰基化合物的高效合成方法。但是，过渡金属催化氧化方法需要用到高价金属盐、过氧化物等外部化学氧化剂，这使得该类反应在应用上存在一定局限性。当下，氧气被认为是氧化羰基化中一种绿色氧化剂，但由于其与一氧化碳的混合气体（体积比例在12.5%-74.0%）具有爆炸性，因而限制了其应用。因此，为应对以上问题，很多研究人员都在致力于开发无需外部氧化剂的催化体系。
雷爱文课题组推测通过阳极氧化可以实现过渡金属催化氧化的C-H键羰基化，而无需外部氧化剂（Scheme 1b）。近十余年来，直接电解氧化在有机合成化学里面的应用已经取得了很大的进展。与此不同的是，通过阳极氧化实现过渡金属催化氧化的C-H键羰基化方法却鲜有报道，这是因为阴极对金属的还原会造成催化剂钝化。
Scheme 1 电化学氧化C-H/C-H键羰基化
为证明电化学氧化C-H键羰基化反应的可行性，本文作者设计了阳极氧化策略来实现无需外部氧化剂的钴催化C-H/N-H键的羰基化。（DOI: 10.1021/acscatal.8b00683）
如Table 1所示，本文作者首先以化合物1a作为模型底物来探索阳极氧化的分子内C-H/C-H键的羰基化反应条件。幸运地，本文作者发现在15 mA的恒流电解条件下可以以85%的收率得到目标产物2a（entry 1）。其他的催化剂筛选发现，Co(OAc)2·4H2O是最好的催化剂。更重要的是，如果使用无隔膜电解槽，则由于Co（II）会被Ni阴极还原而得不到目标产物2a。
Table 1 分子内反应条件优化
使用以上得到的最佳反应条件，本文作者实现了Table 2所示的大量底物扩展。本文作者发现，苯环上具有甲基、卤素、三氟甲基、甲氧基的苯甲酰胺底物在该条件下均具有较高的耐受性。并且，1-萘基甲酰胺、其他芳酰胺衍生物、丙烯酰胺以及杂环酰胺通过该条件均可以以较高的产率得到目标产物。
Table 2 底物扩展
接着，本文作者又使用该方法成功实现了杂环酰胺与烷基胺分子间的C-H/C-H键羰基化。如Table 3所示，噻吩及吡咯衍生物在6 mA电流点解作用下可与吗啡啉等烷基胺发生羰基化反应，以31%-78%的产率得到酰胺产物。
Table 3. 分子间C-H/C-H键羰基化
为了验证该方法的实用性，研究人员还使用底物1b和1m进行了克级规模合成探索。如预想的一样，目标产物2b、2m均可以以理想的产率得到。值得指出的是，所得到的产物所带的导向基团可以容易地脱除。
Scheme 2. 克级制备及导向基团脱除
最后，本文作者根据实验结果推出了如Scheme 3.所示的分子内C−H/N−H键羰基化机理。CoII首先与底物1b配位得到中间体A，A接着被阳极氧化得到CoIII配合物B。NaOPiv的作用下，邻位C（sp2）-H键被活化得到环状CoIII配合物C。接下来，一氧化碳插入配合物C得到配合物D。然后，经还原消除即可得到目标产物。最后，还原消除所得到的CoI可被阳极氧化得到CoII。
Scheme 3. 分子内C−H/N−H键羰基化机理
概括地说，本文作者成功开发了一种无需添加外部氧化剂的钴催化C-H/C-H键羰基化方法。该方法对分子内及分子间的C-H/C-H键羰基化均有较好的选择性。并且，该方法对不同取代的苯甲酰胺、芳基酰胺以及多种杂环酰胺底物均有很好的耐受性。克级规模合成的成功实现也体现了该方法较高的应用前景。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.8b00683
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