【有机】德国哥廷根大学Lutz Ackermann课题组：首例电催化螺环化反应

导读：

近日，德国哥廷根大学Lutz Ackermann教授课题组报道了一种钯-电催化1-芳基-2-萘酚与炔烃的C-H键活化/[3+2]螺环化反应。同时，阳离子铑(III)催化剂也能够通过形式C(sp³)-H键活化实现电氧化[3+2]螺环化反应。此外，该反应具有底物范围广泛、反应条件温和、绿色环保（电作为绿色氧化剂，H₂作为唯一的副产物）等特点。相关研究成果发表在Chem. Sci.上（DOI: 10.1039/D1SC07124F）。

（图片来源：Chem. Sci.）

正文：

螺环化合物具有三维独特骨架，并广泛存在于各类药物与有机材料等中（Fig. 1a）。然而，对于全碳螺环骨架的合成却受到一定的限制。近年来，过渡金属催化C-H键的官能团化反应已成为构建螺环化合物的有效策略。例如，烯醇/烯醇化物导向的钌、铑或钯催化的氧化[3+2]/[3+3]/[4+1]环化，这类反应涉及C-H键的官能团化。类似地，过渡金属催化萘酚与苯酚的C-H键活化/去芳构化串联过程也是可行的（Fig. 1b）。尽管已取得一定的进步，但使用化学计量的化学氧化剂对于活性催化剂的再生是必要的。在此，德国哥廷根大学Lutz Ackermann教授课题组开发出第一个电催化螺环化反应（Fig. 1c）。该策略具有如下特点：（a）通过多功能的钯催化实现前所未有的电氧化C(sp²)-H键活化/去芳构化；（b）使用手性铑催化剂可实现对映选择性[3+2]螺环化反应；（c）电作为一种绿色的氧化剂；（d）反应条件温和且具有高化学和对映选择性。

（图片来源：Chem. Sci.）

首先，作者以1-芳基-2-萘酚1a与二苯基乙炔2a作为模型底物，对反应条件进行了大量的筛选（Table 1）。当以Pd(OAc)₂作为催化剂，n-Bu₄NOAc作为电解质，DMF作为溶剂，在无隔膜电解槽中100 ℃下反应16小时，最终获得87%收率的螺环化产物3aa（entry 17）。

（图片来源：Chem. Sci.）

反应机理的研究与克级实验（Scheme 1）。首先，在CV实验中，1-芳基萘酚1a在E_p = –0.3 V处具有不可逆氧化峰。同样，2a和3aa也具有稳定的电位。当使用Pt代替玻璃碳作为工作电极材料时，在–1.5 V处观察到质子的还原，表明在阴极发生了有效的质子还原，并生成氢气作为唯一的化学计量副产物（Scheme 1a）。其次，通过1a/[D₅]-1a与2a的KIE实验发现，C-H键断裂为反应的决速步骤（Scheme 1b）。此外，1a与2a的克级实验同样能够获得76%收率的产物3aa（Scheme 1c）。

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在获得上述最佳反应条件后，作者首先对炔烃底物2的范围进行了扩展（Scheme 2）。芳基上具有给电子基团（-Me与-OMe）的底物，可获得高收率的产物3ab和3ac。芳基上具有缺电子基团（-CF₃与-CO₂Me）的底物，产物3ad和3ae的收率略有下降。同时，芳基上具有氟/氯取代底物的收率远高于溴代底物的收率，如3af-3ah。其次，芳基的间/邻位含有不同取代基的底物，均可顺利进行反应，获得相应的产物3ai-3am。此外，非对称炔烃2n也可选择性地生成产物3an，但在此条件下未能获得产物3ao和3ap。

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随后，作者对1-芳基-2-萘酚1的底物范围进行了扩展（Scheme 3）。研究表明，当1-芳基-2-萘酚底物1中的芳基对/间位上含有各种不同电子性质的取代基时，均可顺利与2a反应，获得相应的产物3ba-3bn，收率为78-92%。值得注意的是，一系列活性基团（如醛基、酯基、酰基、卤素等）均与体系兼容。然而，对于芳基邻位含有氟取代的底物，仅获得中等收率的产物3bo。此外，通过该策略还可合成高收率的产物3bp和3bq。

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此外，作者还对不对称电催化螺环化的反应条件进行了筛选（Table 2）。筛选结果表明，以1b与2a作为底物，当使用[Rh]-2为催化剂，AdCO₂H为添加剂，可获得67%收率的螺吡唑酮化合物4a；当使用[Rh]-1为手性催化剂，(BzO)₂为添加剂，可获得57%收率的手性螺吡唑酮化合物4a，er为97:3。

（图片来源：Chem. Sci.）

紧接着，作者对对映选择性铑-电催化螺环化反应的底物范围进行了扩展（Scheme 4）。反应结果表明，一系列间/对位含有不同取代基的二苯基乙炔底物，均可顺利与1b在上述两种条件下反应，获得相应的产物4b-4e和4b'-4e'。同时，对于非对称取代炔烃底物，可获得高收率的产物4f，但未能顺利进行对映选择性电催化反应。

（图片来源：Chem. Sci.）

总结：德国哥廷根大学Lutz Ackermann教授课题组报道了第一个钯-电催化1-芳基-2-萘酚的C-H键活化/去芳构化螺环化反应，以及铑-电催化对映选择性[3+2]螺环化反应。通过该策略，可合成一系列三维螺环化合物。此外，该反应具有高化学选择性和广泛的底物范围，并且仅生成氢气作为唯一的副产物。

论文信息：

Electrooxidative Palladium- and Enantioselective Rhodium-Catalyzed [3+2] Spiroannulations

Wen Wei, Alexej Scheremetjew, Lutz Ackermann*

Chem. Sci. DOI: 10.1039/D1SC07124F

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