首页 > 行业资讯 > 【有机】二氟卡宾偶联新模式：二氟卡宾的催化还原偶联反应

【有机】二氟卡宾偶联新模式：二氟卡宾的催化还原偶联反应

时间：2023-07-19 来源：浏览：

【有机】二氟卡宾偶联新模式：二氟卡宾的催化还原偶联反应

X-MOL资讯

X-MOL资讯

微信号 X-molNews

功能介绍 “X-MOL资讯”关注化学、材料和生命科学领域的科研，坚持“原创、专业、深度、生动”。公众号菜单还提供“期刊浏览”等强大功能，覆盖各领域上万种期刊的最新论文，支持个性化浏览。

收录于合集

二氟卡宾是一种重要的活泼中间体，在含氟有机化合物，尤其是含氟聚合物的合成中具有重要应用。与其他碳基的含氟亲核、亲电和自由基物种相比，二氟卡宾可以被视为双亲体，在反应中可形成两根化学键，从而可以大大增加化学空间，合成一些常规方法不易获得的复杂结构。在传统二氟卡宾的偶联反应中，由于固有的亲电性，二氟卡宾先与亲核试剂发生反应生成二氟烷基阴离子，然后再与亲电试剂反应。然而，由于二氟烷基阴离子的不稳定性以及其有限的亲电试剂适用范围，二氟卡宾的应用受到了很大限制。利用两种亲电试剂与二氟卡宾进行偶联将在新的维度上开拓二氟卡宾化学，从而在反合成分析上为含氟有机化合物的高效合成带来新的模式。但由于二氟卡宾的反应性难以调控，二氟卡宾与两种亲电试剂的还原偶联反应一直存在挑战，未见报道。利用金属对二氟卡宾反应性进行调控，理论上可以突破二氟卡宾原有的反应边界，开辟新的研究领域，但基于金属二氟卡宾的催化反应却长期存在挑战。

中国科学院上海有机化学研究所张新刚 团队长期致力于金属二氟卡宾化学的研究。该团队于2015年发现了首例金属二氟卡宾参与的催化偶联反应（MeDIC）（ Org. Lett . 2016 , 18 , 44），又先后实现了系列相关反应（ Nat. Chem . 2017 , 9 , 918，点击阅读详细； CCS Chem . 2020 , 2 , 293），并提出了基于二氟卡宾碳链增长的可控催化氟烷基化的概念（ Nat. Chem . 2019 , 11 , 948，点击阅读详细），以及最近首次分离了铜二氟卡宾物种，实现了基于铜二氟卡宾的催化模块化合成（ Nat. Chem . 2023 , DOI: 10.1038/s41557-023-01236-8，点击阅读详细）。在对钯二氟卡宾化学的研究中，他们发现 零价钯二氟卡宾 [Pd ⁰ ]=CF ₂ 具有高度的亲核性，可以与水发生亲核质子化 。基于这一发现，他们设计了 二氟卡宾与两种亲电试剂在钯催化下的还原偶联反应。

图1. 二氟卡宾的反应模式与反应设计。图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.

该反应利用廉价大宗化学品一氯二氟甲烷（ClC F ₂ H）为二氟卡宾源，对苯二酚为添加剂， K ₂ CO ₃ 作碱，Xantphos为配体，在1 mol% Pd(OAc ) ₂ 的催化下，可以实现对芳基溴代物和芳基三氟甲磺酸酯的二氟甲基化反应。

图2. 底物拓展。图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.

通过机理研究，作者排除了最初假设的Pd(0/II/IV)循环，并提出了如下路径：碳酸钾可以拔去二氟甲基钯[ Pd ^II ] -C F ₂ H（ B ）中的氢原子，生成零价钯二氟卡宾 [Pd ⁰ ]=CF ₂ （ A ）物种；随后， A 与芳基溴代物发生氧化加成，接着二氟卡宾进行迁移插入生成关键中间体芳基二氟甲基钯[XPd-C F ₂ Ar]（ E ）；最终，该物种在还原剂的作用下发生质子化生成二氟甲基芳烃化合物。

图3. 机理研究（一）。图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.

为了进一步验证上述猜想，作者首先进行了络合物 B2 的H/D交换实验，发现 B2 在氘代丙酮中，会完全转化为氘代二氟甲基钯[P d ^II ]-C F ₂ D；并且，该物种在非氘代二氯甲烷中又会生成 B2 ，说明 [Pd ⁰ ]=CF ₂ 物种 A 的质子化和二氟甲基钯[P d ^II ]-C F ₂ H（ B ）的去质子化存在平衡。同时DFT计算结果表明离子型物种[Pd ] ⁺ -C F ₂ ^- A2’ 可以快速转换为更加热力学稳定的物种 [Pd ⁰ ]=CF ₂ （ A2 ）。进一步，作者合成了苯基二氟甲基钯络合物 E1 ，并进行了系列当量实验，证实了 E 是催化反应的关键物种；其中，碳酸钾对该反应的发生必不可少，对苯二酚是反应的还原剂，并且反应过程中生成的苯醌在碳酸钾的作用下可以重生为对苯二酚。

图4. 机理研究（二）。图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.

基于上述研究结果，作者提出了如下催化循环：反应从活性物种 [Pd ⁰ ]=CF ₂ （ A ）启动。随后， A 与芳基溴代物发生氧化加成，经二氟卡宾迁移插入生成关键中间体芳基二氟甲基钯[ArC F ₂ Pd( L _n )X] E 。在上述过程中， [Pd ⁰ ]=CF ₂ 的质子化和[P d ^II ]-C F ₂ H的去质子化存在平衡，其中 A 与芳基溴代物的氧化加成推动了平衡向 A 移动。接着，中间体 E 在对苯二酚的存在下被还原为阴离子物种 H 。其与质子反应生成钯氢物种 I ，最后还原消除生成产物二氟甲基芳烃化合物和零价钯。此外，中间体 H 直接发生质子化也可以得到最终产物。

图5. 催化循环。图片来源： Angew. Chem. Int. Ed.

总结

在该工作中，张新刚团队利用活性金属二氟卡宾物种，发展了二氟卡宾新的偶联模式，克服了二氟卡宾固有亲电性导致的反应局限，首次实现了二氟卡宾与两种亲电试剂（芳基溴代物、三氟甲磺酸酯与质子）的偶联反应。通过机理研究，作者提出了有别于常规反应的Pd(0/II)的催化循环，其中零价钯二氟卡宾的质子化和二氟甲基钯的去质子化存在平衡，碱在整个催化反应中起到了多重作用。该工作为更加深入理解钯二氟卡宾化学带来了新的视角，也从反合成角度为含氟有机化合物的合成带来了新思路，从而为金属二氟卡宾催化偶联的研究注入了新的活力。该工作近期发表于 Angew. Chem. Int. Ed .，中国科学院上海有机化学研究所有机氟化学重点实验室 张雪莹 博士为第一作者， 张新刚 研究员为通讯作者，中国科学院上海有机化学研究所为唯一通讯单位。该工作受到了国家自然科学基金委，科技部重点研发计划和上海科委的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：