JACS：含酯基环丙烯阳离子的铑催化一步合成及应用

导读：

最近，西班牙加泰罗尼亚化学研究所（ICIQ）Marcos G. Suero课题组首次报道含酯基环丙烯阳离子（cyclopropenium cations, CPCs）的铑催化一步合成及应用。该课题组以含重氮乙酸酯基团的高价碘试剂为卡拜（carbyne）源，经铑催化生成铑-卡拜体（Rh-Carbynoids）。所得铑-卡拜体再和炔烃发生[2+1]环加成反应，一步得到含酯基的环丙烯阳离子。环丙烯阳离子可以和多种亲核试剂发生加成反应，实现许多高价值四取代环丙烯衍生物的高效制备。相关研究成果发表在近期的《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.2c07769）。

背景介绍（Figures 1-2）：

Breslow, R教授课题组在1957年首次发现最小的Hückel芳香化合物：环丙烯阳离子（J. Am. Chem. Soc. 1957, 79, 5318）。这种芳香化合物具有离域在3个2p轨道上的两个π电子，因此有一定程度的热力学稳定性和分子张力（Figure 1A）。最近几年，具有高稳定性的三(二烷基氨基)环丙烯阳离子衍生物已经在电光催化剂、基因传递剂、非水氧化还原电池的阴极电解质和液晶方面得到了应用。虽然环丙烯阳离子具有作为三碳合成子用于复杂分子构建的潜力，但其在有机合成方面的价值仍然被低估。主要原因有两个：1）开发的大多数环丙烯阳离子合成方法需经多步反应，繁琐且低效；2）不对称环丙烯阳离子和亲核试剂间的反应存在选择性问题，往往会得到无选择性混合物，降低了其应用价值。鉴于此，Marcos G. Suero课题组最近开发了一种含酯基环丙烯阳离子的一步合成方法，并成功应用于多种环丙烯衍生物的制备（Figure 1B）。该合成方法以简单易得的炔烃和含重氮乙酸酯基团的高价碘试剂为原料，经铑催化[2+1]环加成反应，得到一系列含酯基的环丙烯阳离子。

（Figure 1，来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者课题组长期致力于研究源自高价碘试剂的卡拜合成子在有机合成方面的应用。基于此，作者希望能通过源自高价碘试剂的卡拜和炔烃间的转化反应，实现环丙烯阳离子的一步合成。其合成思路如Figure 2所示，含重氮乙酸酯基团的高价碘试剂2在铑催化下生成铑-卡拜体int-1；int-1和炔烃发生氧化的[2+1]环加成反应得到中间体int-2；int-2经失去离去基团的离子反应过程，得到一系列含酯基的环丙烯阳离子3。

（Figure 2，来源：J. Am. Chem. Soc.）

条件筛选（Table 1、Table S1）：

（Table 1, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于Figure 2的合成思路，作者以1-苯基-1-丙炔1a和高价碘试剂2为底物，以一系列商业可得的铑试剂为催化剂开展反应条件筛选。同时，考虑到所得环丙烯阳离子可能存在不稳定性和高活性，作者以1,3,5-三甲氧基苯作为亲核试剂去验证转化的有效性。如Table S1所示，作者首先以高价碘试剂2a为底物筛选了一系列铑催化剂（entries 1-8），得出Du Bois催化剂Rh₂(esp)₂是最优催化剂，能以>99%的核磁产率得到理想产物3a*（entry 7）。继续对高价碘试剂2（entries 9-11）、反应温度（entries 12-13）、炔烃1a当量（entries 14-16）等条件进行优化，得出如entry 15所示的最优反应条件，反应能以>99%的核磁产率（entry 15 in Table S1）或94%的分离产率（Table 1）得到理想产物3a*。同时，作者发现在加入1,3,5-三甲氧基苯前，会得到泥浆状物质（Figure S1）。-60 ℃下往泥浆状物质中加入干燥的正己烷，快速过滤后得到白色固体。该白色固体经核磁、红外和质谱分析验证后确定是环丙烯阳离子3a（86%产率）。环丙烯阳离子3a可以在-20 ℃条件下稳定保存超过一个月，不会发生分解，在室温下操作也不需用手套箱保护，具有一定程度的稳定性。

（Table S1 in SI, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

（Figure S1 in SI, 来源：J. Am. Chem. Soc.）

底物拓展和应用（Tables 2-3, Figure 3）：

作者接着最优反应条件开展底物拓展研究。如Table 2所示，在铑催化反应条件下合成和分离出28个环丙烯阳离子3（中等以上产率）。另外11个环丙烯阳离子3因溶解性较好不易过滤分离，可以通过和1,3,5-三甲氧基苯反应，以较好的产率和高选择性得到对应环丙烯衍生物3*。作者所尝试的炔烃和高价碘试剂中反应较好的包括：1）苯基位置含卤素基团、乙酰基、苯基、三氟甲基、酯基、烯基、甲基的炔烃以及含萘基、吲哚基团的炔烃（3a-3q*）；2）含乙基、仲丁基、氯烷基、苄基等一级烷基的炔烃和一级烷基上含受保护氨基或羟基的炔烃（3r-3y）；3）含异丙基、环丙基、环丁基、环己基等二级烷基的炔烃（3z, 3aa-3ac）；4）含双烷基的炔烃（3ad-3ai*）；5）酯基上含甲基、异丙基、苯基等基团的高价碘试剂（3aj*-3am*）。同时，作者发现：1）含叔丁基、三甲基硅基等三级基团的炔烃参与的反应，只能得到微量对应产物；2）3a和3ad的合成，即使放大的克级规模，也能保持高产率。

（Table 2，来源：J. Am. Chem. Soc.）

作者进一步研究所得环丙烯阳离子3a或3ad和多种亲核试剂间的反应，以验证该反应的应用价值。如Table 3所示，1）3a或3ad可以和含不同芳基的格氏试剂反应，得到环丙烯衍生物4-19；2）3a可以苯硼酸、二乙基锌、有机硅烷等其它含碳亲核试剂反应，得到环丙烯衍生物20-26；3）3a也可以和含氮、氧、磷、硫、氢原子的其他亲核试剂反应，得到更复杂的环丙烯衍生物27-38。所有亲核加成反应都具有高选择性，都主要发生在和酯基相连的碳位置。

（Table 3，来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，为了解释亲核加成反应高选择性原因，作者开展了计算化学研究。利用分子计算建模软件SPARTAN 20进行计算（方法：ωb97xd，基组：6-31G(d)），得出如Figure 3所示环丙烯阳离子3a的LUMO图。由LUMO图可以看出和酯基相连的碳具有最高LUMO系数（颜色越深，LUMO系数越高），因此在轨道控制下该亲核加成反应选择性发生在和酯基相连的碳位置。

（Figure 3，来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：

总之，Marcos G. Suero课题组首次报道了一种高效的含酯基环丙烯阳离子的一步合成方法并应用于复杂环丙烯衍生物的高效制备。作者后期将探索所得环丙烯阳离子参与不对称反应的可行性。

论文信息：

Catalytic Synthesis of Cyclopropenium Cations with Rh-Carbynoids

Hang-Fei Tu, Aliénor Jeandin, and Marcos G. Suero*

J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.2c07769

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