【人物与科研】南开大学王佰全教授课题组：巯基导向的铱催化C–H/重氮偶联及串联环化反应

导语

近年来，过渡金属催化的C–H键官能化反应被广泛应用于构建C–C键和C–杂键。其中，硫原子导向的C–H官能化反应也被应用于合成一系列含硫化合物。目前报道的硫原子导向的C–H官能化反应的导向基团主要包括硫醚、亚砜、硫代酰胺、硫酮、烷氧基硫代羰基以及一些含有硫磷双键的化合物。巯基作为最简单的含硫基团，广泛存在于天然产物和合成化合物中，然而巯基导向的过渡金属催化的C–H键官能化反应却未见报道。近日，南开大学王佰全教授课题组报道了第一例巯基导向的铱催化C–H/重氮偶联环化构建含硫杂环化合物的工作。相关成果发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b02581）。

王佰全教授课题组简介

王佰全教授课题组的主要研究方向为金属有机化学及均相催化。近年来，该课题组在过渡金属催化的C–H键活化领域（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 16163-16166; Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 4191-4195）取得了系列进展。对于重氮参与的C–H偶联反应，发展了一系列E–M（E=N, O, C）导向的过渡金属催化的C–H/重氮偶联及串联环化反应，为相应的杂环和碳环化合物的高效和高选择性合成提供了便捷的方法：

（来源：王佰全教授课题组）

王佰全教授简介

王佰全教授1968年5月出生于辽宁省黑山县，1990年毕业于南开大学化学系，获理学学士学位；1993和1996年在南开大学化学系获理学硕士和博士学位，导师周秀中教授；1996年7月起任南开大学化学系讲师；1998年12月晋升为教授；1997年3-12月在香港中文大学化学系谢作伟教授课题组从事访问研究；1999年9月-2000年8月在美国德克萨斯大学奥斯汀分校J. J. Lagowski教授课题组从事博士后研究；2004年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。

前沿科研成果

巯基导向的铱催化C–H/重氮偶联环化反应研究

含硫基团导向的过渡金属催化的C–H键官能化反应已被广泛应用于含硫化合物的构建。然而，巯基作为最简单的含硫基团，其导向的过渡金属催化C–H键官能化反应却未见报道。王佰全教授课题组在前期过渡金属催化C–H/重氮偶联环化反应研究的基础上，首次实现了巯基导向的铱催化1-萘硫酚与重氮类化合物的偶联环化反应（图1）。

图1 巯基导向的铱催化1-萘硫酚与重氮类化合物的偶联环化反应

（来源：Org. Lett.）

作者首先以1-萘硫酚（1a）与2-重氮基-5,5-二甲基环己烷-1,3-二酮（2a）为标准底物对反应条件进行了优化，确定了最佳的反应条件为：5 mol%的[Cp*IrCl₂]₂为催化剂，1.5 mL的1,4-二氧六环为溶剂，0.2 mmol的1a与0.4 mmol的2a，在130 ℃氩气条件下反应12小时。在此条件下，作者对底物进行了拓展，多种1-萘硫酚与重氮化合物反应，都能得到相应的含硫杂环化合物（图2）。

图2 底物拓展

（来源：Org. Lett.）

随后，课题组对反应的实用性进行了研究。在只使用3 mol%的[Cp*IrCl₂]₂作为催化剂的条件下，5 mmol的1a与2a在标准条件下反应，可以实现相应萘并硫吡喃化合物3aa的克级制备（1.04 g，74%）。化合物3aa在[Cp*RhCl₂]₂的催化下，可以进一步与丙烯酸甲酯反应，得到烯基化的产物5（图3）。

图3 实用性研究实验

（来源：Org. Lett.）

此外，课题组还对该反应进行了机理研究实验。当1-萘硫酚（1a）与MeOD或D₂O反应时，以85-87％的产率回收到1-萘硫酚。实验中没有发现H/D交换，这揭示了C–H键活化步骤是不可逆的。底物1a和1a-d₇之间的氘竞争实验得到2.7的产物比。1a和1a-d₇的两个平行独立反应得到动力学同位素效应（KIE）为1.8。这两个实验结果表明C–H键活化可能包含在决速步骤中。此外，作者通过GC-MS对标准条件下3aa的制备实验进行检测，未发现二硫键偶联产物的生成。（图4）

图4 机理研究实验

（来源：Org. Lett.）

最后，基于以上机理研究实验，作者提出了可能的反应机理。首先[Cp*IrCl₂]₂解聚生成活性催化剂[Cp*IrCl₂]，其与底物1a配位并脱除一分子HCl生成中间体A。然后再脱除一分子HCl同时发生C–H键活化生成五元环铱中间体B。中间体B与重氮化合物2a配位生成铱卡宾中间体C，同时释放出氮气。卡宾迁移到Ir-C键中得到中间体D。D在HCl的作用下酸解得到中间体E并再生活性催化剂[Cp*IrCl₂]₂。最后，中间体E异构化原位生产烯醇中间体F并脱除一分子水，得到产物3aa（图5）。

图5 可能的机理

（来源：Org. Lett.）

总结：作者报道了一个巯基导向的铱催化1-萘硫酚类化合物通过C–H/重氮偶联环化反应构建萘并硫代吡喃类化合物的工作。实现了第一例巯基导向的铱催化的C–H/重氮偶联环化反应。相关成果以“Sulfhydryl-Directed Iridium-Catalyzed C–H/Diazo Coupling and Tandem Annulation of Naphthalene-1-thiols”为题发表在Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b02581）上。论文第一作者为南开大学闫克鲁博士，通讯作者为南开大学王佰全教授（论文作者：Kelu Yan, Yong Kong, Bin, Li, and Baiquan Wang）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。欢迎联系：[e-mail]