【有机】JACS：董广彬课题组实现了钌催化的非张力C(Aryl)-C(Aryl)键的还原裂解

过渡金属（TM）与C-C键的氧化加成是活化C-C键的重要手段，可以将一种相对惰性的C-C键转化为两个更具反应性的C-TM键，从而进行两个碳的双重官能团化（Scheme 1A）。目前，研究人员已经开发了多种催化C-C键裂解/官能团化的方法。然而，可以与TM发生氧化加成的C-C键的范围仍然有限（Scheme 1B）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

相比之下，TM插入至非极性和非张力C-C键的情况极为罕见。1993年，Milstein课题组报道了膦导向的通过形成2个五元环稠合的Rh环的C(aryl)-C(allyl)键活化方法（Scheme 2A）。近来，Kakiuchi课题组开发了一种Rh催化的通过β-C消除机理进行的非张力C(aryl)-C(allyl)键的裂解方法。最近，芝加哥大学董广彬课题组致力于研究非活化C(aryl)-C(aryl)键的活化，通过Rh催化剂和次膦酸酯导向基团（DGs）实现2,2'-双酚的C(aryl)-C(aryl)键与氢气催化裂解（Scheme 2B），但该转化仍需要2,2'-双酚底物中含邻位取代基。近日，董广彬课题组开发了一种钌催化的非张力C(aryl)-C(aryl)键的还原裂解方法，并对其机理进行了研究（Scheme 2C），该成果发表于近期J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.9b11605）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者选择2,2’-(3-甲基吡啶基)取代的联苯（1a）作为初始底物考察了多种Rh催化剂（[Rh(C₂H₄)Cl]₂、[Rh(COD)Cl]₂、Rh(COD)₂NTf₂），但均未得到预期产物（Table 1）。然而，作者在[Rh(COD)Cl]₂催化的反应中加入NaI后得到39%的C-C裂解产物，但NaI的确切作用尚不清楚。尽管Ni(0)、Co(0)和Ir(I)络合物未得到预期的裂解产物，但RuCl₂络合物表现出显著的反应性。因此，作者考察了各种钌络合物（RuCl₃·xH₂O、Ru₃(CO)₁₂、Cp*Ru(COD)Cl和Ru(COD)Cl₂），并发现Ru(COD)Cl₂效果最佳。除1,4-二氧六环外，其他溶剂（如甲苯和THF）也适用于该转化。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

除氢气外，作者还进行了其他替代还原剂的筛选（Table 2）。在Ru催化的条件下，多种温和的还原剂（如甲酸钾盐和Hantzsch酯）均具有反应性，并能产生所需产物。各种仲醇也可以用作氢源，其中环戊醇最佳。此外，硅烷和水的混合物（1:1）也是极好的还原剂。

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接下来，作者考察了反应的底物范围（Table 3）。首先，除3-甲基吡啶外，简单的吡啶也可以作为有效的导向基团，芳烃的3、4或5位可以被取代，但位阻可能导致3,3'-二取代底物的收率较低。苯基和呋喃基取代的底物显示出良好的反应性。此外，该反应还可以耐受一系列官能团，如氟、氯、溴、三氟甲基、三氟甲氧基、酯、酰胺、甲氧基和甲硅烷基醚等。当氟原子与DG相邻时，生成部分C-F键活化/裂解产物，而其他位置被氟取代后则无影响。当底物中存在酮羰基时，羰基部分还原为相应的醇，特别是在转移氢化条件下。由于C(aryl)-C(aryl)键周围存在位阻，体积较大的联萘衍生底物没有反应性。导向基团的范围考察结果显示，具有各种电性取代的吡啶表现出相似的反应性。其他杂芳烃包括嘧啶、吡唑和喹啉等也可以作为有效的导向基团，而不稳定的噁唑啉、噁唑和腈不起作用。

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随后，作者进一步研究了加氢条件下的催化剂负载量和反应温度（Table 4）。当Ru负载量从10 mol%降至2.5 mol%时，收率略微降低；进一步降至1 mol%时仍得到55%的收率。在较低温度（110 ℃）下，反应具有较高的收率（90%）；反应温度进一步降低至70 ℃显示出中等反应性。氢气压力降至70 psi时，不会影响反应效率；进一步降至30 psi时，收率较低（65%）。

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此外，作者还建立了“一锅”法C-C活化/C-C生成方法（Eq 1）。C(aryl)-C(aryl)键氢解后，钌催化剂保持活性；随后加入丙烯酸酯使C-C裂解产物发生烷基化。这表明使用单个催化剂可以将C(aryl)-C(aryl)键活化与随后的官能团化结合在一起。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

通过计算和实验，作者探索了钌催化的C(aryl)-C(aryl)键活化的机理并提出了三种可能的反应途径（Figure 1）：Path a涉及将Ru(II)二氯化物（“RuCl₂”）插入C(aryl)-C(aryl)键以得到Ru(IV)中间体，然后其经氢解得到单体产物这一过程。Path b由Ru(II)一氢一氯化物物种（“RuHCl”）引发，该物质由RuCl₂前体的单加氢生成。将“RuHCl”与C(aryl)-C(aryl)键氧化加成后，进行C-H还原消除得到单体产物，然后生成的钌芳基中间体与H₂反应得到另一种单体产物，并再生“RuHCl”催化剂。Path c基于“RuCl₂”前体的两次加氢生成的Ru(II)二氢化物（“RuH₂”）。同样，将“RuH₂”中间体插入至C(aryl)-C(aryl)键后，进行双C-H还原消除得到两个单体产物。最后，生成的Ru(0)与H₂反应以再生“RuH₂”物种。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

结语：董广彬课题组开发了一种钌催化的非张力C(Aryl)- C(Aryl)键的活化方法，并详细考察了反应的局限和底物范围。除氢气外，其他试剂如Hantzsch酯、硅烷/醇也可以作为还原裂解的末端还原剂；各种杂环如吡啶、喹啉、嘧啶和吡唑可以用作导向基团。此外，课题组还通过DFT计算和实验相结合研究了反应机理，提升了对强、非极性和非张力化学键活化的理解。

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