清华大学陈超课题组 | 高价碘试剂参与的光催化烯烃区域、立体选择性全氟异丙基化反应
研究背景
含氟复杂分子的合成近年来持续作为有机化学的研究热点,被人们广泛关注。相对于经典的三氟甲基,全氟异丙基是近年来新兴的结构基序,由于具有更为显著的电子诱导和空间排斥效应,已在药物先导化合物的发现以及商业化广谱杀虫剂等领域得到了应用。使用亲核型的全氟异丙基源,如 Ag-i-C3F7,通过氧化氟烷基化策略实现自由基氟烷基化已经取得了诸多进展,而亲电型的全氟异丙基化试剂截至目前仍未有报道,其主要有以下难点:(1)电子诱导效应极强,导致亲电型试剂中全氟异丙基易被亲核进攻进而发生氟消除。(2)试剂的合成前体匮乏,主要为氟烷基金属化物。
研究内容
近日,清华大学陈超课题组基于环状氟烷基高价碘的骨架刚性和亲电活性,设计合成了首个亲电型的全氟异丙基化试剂 PFPI,发展了高价碘试剂参与的光催化烯烃区域、立体选择性全氟异丙基化反应。使用廉价的 Eosin Y 为光敏剂,能以高产率和高 Z/E 选择性得到一系列的全氟异丙基烯烃。
图1 高价碘试剂参与的光催化烯烃区域、立体选择性全氟异丙基化
条件筛选过程中,作者发现:光催化剂、溶剂以及有机碱的种类对反应收率和区域选择性影响显著。Eosin Y 的激发态电势与 PFPI 试剂的活化最为匹配,而具有更低激发态还原电势的光敏剂,如 PTH,fac-Ir 等都会导致双键还原加氢副产物增多。对于碱的筛选,具有更大位阻效应的二异丙基乙胺是该反应的最佳选择。经过细致筛选,确定标准反应条件为:在 Eosin Y(5 mol%)、烯丙苯和 PFPI 试剂比例为 1 : 1.5(0.2 mmol)、DIPEA(1.5 equiv.)作碱及乙腈为溶剂的反应条件下,能以 87% 的收率, > 99:1 的区域选择性得到相应的全氟异丙基化产物。在此条件下,作者首先对各种端烯的底物适用范围进行了考察(图2)。含各种吸电子和给电子取代基的底物均能顺利完成该转化。值得注意的是对于烯丙基醚类底物,反应以高立体选择性得到了反常的 Z-构型烯烃产物。
图2 端烯的底物适用范围
随后,作者还发现该光催化体系还可扩展至烯丙醇底物的半频哪醇重排反应,二芳基烯丙醇和芳基-烷基烯丙醇均能顺利实现该重排反应,且基团迁移顺序为富电子芳基优先于缺电子芳基大于烷基。对于端炔类底物,利用该试剂也能以良好的收率得到端位官能化产物(图3)。
图3 烯丙醇的半频哪醇重排和端炔的全氟异丙基化
最后,作者通过荧光淬灭、自由基捕获以及循环伏安测试等进行了反应机理研究。并提出了一种可能的反应路径,首先,具有氧化还原活性的全氟异丙基高价碘能被激发态中性曙红单电子还原,随后发生 C–I 键断裂并离去一分子邻碘苯甲酸后释放出全氟异丙基自由基 A,该自由基与烯烃发生端位自由基加成后,得到自由基中间体 B,B 与氧化态曙红或三乙胺自由基正离子反应即生成相应碳正离子,并在溶剂乙腈的稳定下得到中间体 D,D 在碱性条件下发生区域和立体选择性消除即可生成最终产物 E。在此过程中,部分自由基中间体 B 也会继续发生单电子还原并捕获氢离子得到加氢副产物 C。另外,此前的同位素标记实验也证明了碳正离子中间体 D 并不会通过 1,2-迁移得到中间体 F 再完成进一步消除。
图4 可能的反应机理。
总结展望
清华大学陈超课题组使用廉价的工业化学品六氟丙烯为原料,成功合成了亲电型高活性全氟异丙基碘试剂。该试剂可在光催化条件下可控释放出全氟异丙基自由基,使用非活化烯烃作为自由基受体,能以优异的区域选择性和 Z/E 选择性实现全氟异丙基化。同时,利用该试剂还能实现烯丙醇类底物的氟烷基自由基驱动半频哪醇重排反应。
论文信息
Light promoted metal-free regio- and stereoselective isoperfluoropropylation of unactivated alkenes with an i-C3F7-iodine(III) reagent
Yaxing Wu, Yunchen Jiang, Fei Wang, Bin Wang and Chao Chen
Org. Chem. Front., 2024, Advance Article
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