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南京工业大学冯超团队Angew:光氧化还原氟离子诱
浏览: 发布日期:2019-05-11

南京工业大学冯超团队Angew:光氧化还原氟离子诱导的偕二氟烯烃氟烯丙基化反应

三氟甲基由于其强拉电子性及氟原子的独特性质,将三氟甲基引入到有机分子中能够显著改变其电性、溶解性、亲酯性等性质。然而已报到的三氟甲基化方法大多倾向于将三氟甲基引入到芳香环中,构筑苄位三氟甲基叔碳/季碳中心结构的方法却寥寥无几。传统的构筑苄位三氟甲基叔碳/季碳中心结构的方法主要通过两种途径,第一种方法是通过对苄位的直接三氟甲基化,第二种为对苄位含三氟甲基的骨架分子进行官能团化。

图1. 构建三氟甲基取代的叔碳中心

 

由于氟原子的强电负性,偕二氟烯烃结构的β碳原子通常带正电而容易接受氟离子的亲核进攻得到三氟甲基结构。该策略为构筑苄位三氟甲基结构提供了一种新的思路。在该思路的基础上,研究偕二氟烯烃的1,2-双官能团化能够有效地构筑苄位三氟甲基叔碳/季碳中心结构。

 

南京工业大学冯超教授课题组近年来,对偕二氟烯烃的1,2-双官能团化取得了一系列突破性进展。以氟化铯为氟源,实现了偕二氟烯烃的氟烯丙基化反应(J. Am. Chem. Soc., 2016138, 15869−15872);以氟化铯为氟源,实现了偕二氟烯烃的氟芳化反应(Angew. Chem. Int. Ed.201756, 9872−9876);以邻位碘取代的偕二氟烯烃与炔烃反应,发展了一种合成含三氟甲基茚结构的方法(Org. Lett., 201820, 5190–5193)。该策略的难点在于:(1)氟离子亲核进攻可以得到苄基碳负离子,虽然三氟甲基能够稳定该碳负离子,但其强碱性使得其质子化速率过快而难以进一步转化;(2)富电子偕二氟烯烃由于其本身的性质使其直接接受氟离子亲核进攻比较困难,并且得到的碳负离子碱性更强(氟化银之所以能够较容易对富电子偕二氟烯烃进攻,是因为银在其中充当了路易斯酸的作用对偕二氟烯烃进行活化,且得到的苄基银物种是稳定)。

图2. 用偕二氟烯烃构建三氟甲基取代的叔碳中心

 

近日,冯超教授(点击查看介绍)课题组以光氧化还原的策略,以[Ir(dF)(CF3)(ppy)2(5,5’-dCF3)bpy]PF6(E01/2=+1.69 V vs. SCE in MeCN)或者Acr-Mes-Me+ClO4-(E01/2= +1.69 V vs. SCE in MeCN)为光催化剂,三乙胺三氢氟酸盐作为氟源,实现了富电子芳香偕二氟烯烃的氟烯丙基化反应。该方法与该课题组2016年报道的钯催化氟离子亲核进攻诱导烯丙基化反应相比,该设计的巧妙之处在于:(1)单电子转移过程有效促进了氟进攻;(2)把碳负离子的反应模式转变为碳自由基反应模式。一系列富电子偕二氟烯烃,如对位醚、硫醚、卤素、烷基、烯丙基、吗啉、吡唑取代等底物都能以中等及以上的收率得到目标产物。二苯并呋喃、吡啶、吲哚等杂环也能拿到较好的反应结果。难被氧化的底物必须用Acr-Mes-Me+ClO4-作为光催化才能得到较好的结果,如对位溴、三氟甲氧基、叔丁基、三氟乙基等底物。对乙烯基,偕二氟乙烯基也能够兼容并以中等收率拿到产物。间位甲酸甲酯基团在本反应中也能以较低的收率拿到产物,这出乎预料。作者对不同的烯丙基砜也进行了尝试,2位酯基、氰基、苯甲酰基、砜基、苯基、卤素等均具有较好的兼容性;带炔基的酯也能得到较好的选择性。同时,作者其他自由基捕捉试剂也进行了尝试,如丙烯酸酯、乙基乙烯基酮、烯基砜、炔基砜、双活化烯烃等均进行了尝试,但只能得到以极低的效率得到产物或者不反应的实验结果(详见SI)。带天然产物片段的底物也进行了尝试,偕二氟乙烯基修饰的生育酚或者薄荷醇、表雄酮修饰的烯丙基砜均能在标准条件下得到较好的收率。

表1. 光氧化还原偕二氟烯烃的氟烯丙基化反应的底物范围

 

开关灯实验表明,光照对该反应为必须。CV的测定结果为1-(β,β-二氟乙烯基)4-苯基苯(1a)的氧化电势为E1/2ox(1a) = +1.65 V vs. SCE in CH3CN,处于光催化剂的氧化电势内。荧光淬灭实验结果为,1a能够成功淬灭光催化剂。当反应中加入1.0 equiv 的TEMPO 或者BHT后,氟烯丙基化产率为0,并未分离得到TEMPO偶联的产物。当苄位带有环丙基时,作者得到了15%的环丙基开环的产物,能够证明可能生成了苄基自由基物种。因此作者推测该反应的机理为:激发态的光催化剂首先与偕二氟烯烃发生一次单电子氧化过程,该过程为氟进攻提供了驱动力,经过分子内电子传递过程,得到α-三氟甲基苄基自由基。该自由基与烯丙基砜发生自由基加成,消除一分子苯基砜自由基,得到产物。同时苯基砜自由基氧化还原态的光催化剂,使其回到基态继续参与新的催化循环,砜基本身被还原成为砜基负离子。

图3. 控制实验以及推测的反应机理

 

相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上,文章的第一作者是南京工业大学博士研究生刘海东。该研究工作得到了国家青年千人计划、江苏省特聘教授计划、国家自然科学基金(21871138)、江苏省自然科学基金(BK20170984)、南京工业大学的大力支持。