
上海有機所在穩(wěn)定型卡賓領域研究取得進展:把卡賓親電性推至極限
1923年,美國化學家Gilbert N. Lewis提出Lewis酸堿概念。Lewis認為酸堿反應是堿提供孤對電子跟酸共享(圖1上),是雙電子作用,酸與堿之間沒有電子轉移。盡管Lewis酸堿之間單電子轉移作用在很多有機化學反應過程中被提出來作為一種機理解釋,卻缺乏直接的實驗證據。2013年,王新平課題組通過實驗直接觀察到Lewis酸與堿之間發(fā)生的單電子轉移現象(圖1下),即酸與堿反應可以通過單電子作用。他們發(fā)現,Lewis酸B(C6F5)3 (BCF)可以通過單電子轉移氧化有機分子(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 14912)。此后,強Lewis酸單電子氧化有機分子被廣泛研究。 王新平課題組近年來致力于發(fā)展基于酸堿單電子作用的BCF及其它傳統(tǒng)Lewis酸耦合的電子轉移策略(Lewis acid coupled electron transfer,簡稱LACET),并研究其在各個領域的應用。近年來他們利用LACET策略合成了一系列自由基化合物,并把LACET策略引入到動態(tài)化學和磁性領域 (J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 7978;CCS Chem. 2023, 5, 334;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202300068;J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 17292)。最近,該課題組把LACET策略引入到卡賓和小分子活化領域,得到了親電性最強的穩(wěn)定型卡賓。

圖1
卡賓(carbene)因其特有的六電子排布以及二價的卡賓碳的獨特反應性,作為一種重要的有機化學中間體得到了廣泛關注。1988年,Bertrand等人在卡賓碳兩側接上含磷和含硅的官能團,得到了穩(wěn)定的卡賓化合物;1991年,Arduengo等人設計了氮雜環(huán)卡賓(N-heterocylic carbene, NHC),成功得到卡賓的單晶結構。作為一種單線態(tài)卡賓,氮雜環(huán)卡賓同時具有良好的親核性和一定的親電性,其電子效應可以通過比較前線軌道能量來判斷。HOMO能量越高,其給電子能力(親核性)越強;LUMO能量越低,其接受電子能力(親電性)越強(如圖2所示)。一般而言,氮雜環(huán)卡賓的親核性更為明顯,強親電性卡賓的設計也面臨諸多困難。近期,王新平課題組將強Lewis酸B(C6F5)3與含羰基的氮雜環(huán)卡賓結合,得到了一種新的穩(wěn)定卡賓結構。Lewis酸的引入極大地提高了原有卡賓的親電性,使其具備更高的反應活性,并首次實現了穩(wěn)定型卡賓與乙烯分子的[2+1]環(huán)加成反應。

圖2 不同類型卡賓的LUMO能量和S/T Gap能量對比圖。
由Bertrand等人開發(fā)出的環(huán)烷胺基卡賓(cyclic (alkyl) (amino) carbene, CAAC,圖2)具有相對更低的LUMO能量和相對更高的HOMO能量,具有更好的反應活性,但其親電性的提升并不顯著; Bielawski等人則設計出了一種N,N’-二酰胺基卡賓(N,N’-diamidocarbene, DAC,圖2),引入兩個羰基作為吸電子基團以提高其親電性。但是,提高這兩類卡賓的親電性與反應活性均需要進行復雜的結構設計。因此,開發(fā)一種簡潔有效的提高卡賓親電性的策略,將會對研究強親電性卡賓的性質具有重要意義。
在該工作中,他們將BCF與DAC配位后,得到了一種全新的穩(wěn)定Lewis酸-卡賓雜化物結構(圖3)。理論計算表明,卡賓的LUMO能量從與BCF配位前的-2.7 eV降低到-4.0 eV,單/三線態(tài)能量差也從配位前的31.3 kcal/mol降低到19.2 kcal/mol。DAC與BCF配位后,發(fā)生了分子內電子轉移,不僅親電性得到了極大提高,反應活性也有同步提升。雜化物中的Lewis酸通過與強堿Ph3P的反應從BCF-DAC中解離,證明BCF的配位和解離形成雜化物可以具有一定的動態(tài)特征(圖3)。

圖3 (A)卡賓BCF-DAC的可逆配位過程;(B)卡賓BCF-DAC的晶體結構。
為了研究該卡賓與BCF配位前后反應活性的影響,我們將DAC與甲苯、乙烯和乙炔進行反應。DAC在加熱至80 C 后24至48小時可以插入甲苯的芐基C-H鍵。加入BCF后,DAC僅需30分鐘即可在室溫下完成反應,而使用更強的Lewis酸Al(ORF)3 (ORF = OC(CF3)3)則能讓該反應的速率進一步提升(圖4A)。類似地,DAC與乙炔的[2+1]環(huán)加成反應的完成時間從10小時減少到2小時(圖4B)。更引人注目的是,DAC即使在加熱時也不會與乙烯反應,但在加入BCF后,常溫常壓下即可與乙烯發(fā)生[2+1]環(huán)加成反應(圖4C)。由于其優(yōu)異的親電性,該雜化物成為首個能夠直接與乙烯反應的穩(wěn)定卡賓。所有產物均通過單晶X射線衍射(圖5)和核磁共振等手段進行了表征。

圖4 DAC及其與Lewis酸雜化物分別與甲苯、乙烯和乙炔的反應

圖5 相關反應產物的晶體結構
此外,BCF可以通過添加給電子能量較強的溶劑(如CH3CN)從產物中去除,以便柱層析分離產物(如圖6所示)。將圖4所示的反應(即BCF+DAC+底物)以一鍋法進行后直接加入CH3CN淬滅,分離得到產物的產率為68-72%,這證明DAC與BCF是充分反應、充分結合的。

圖6 相關產物與乙腈的反應
DAC的親電性可以通過與不同的Lewis酸配位來調節(jié)。在B3LYP/6-31G(d)計算精度下,Lewis酸-DAC雜化物的LUMO能量(單位:eV)依次排序為:B(C6F5)2H (-3.91) < BCF (-4.00) < B(C6F5)2Cl (-4.12) < BCl3 (-4.13) < AlCl3 (-4.24) < Al(ORF)3 (ORF = OC(CF3)3) (-4.25) < BBr3 (-4.26)。由計算結果可知,BBr3的酸性最強,其與DAC雜化物的親電性也最強。實驗表明,甲苯與Al(ORF)3-DAC雜化物的反應比BCF-DAC雜化物快得多(如圖4A和圖5B所示),這與LUMO能量順序一致。類似的行為發(fā)生在不同Lewis酸與DAC的雜化物與乙烯(BCF為8h,Al(ORF)3為2h)和乙炔(BCF為2h,Al(ORF)3為0.5 h)的反應中。然而,像BBr3這樣的體積較小的路易斯酸可能會與DAC的卡賓碳發(fā)生一系列復雜反應。體積較大和商業(yè)化的BCF固體Lewis酸,是該策略中的首選。
綜上所述,本工作將DAC卡賓與強Lewis酸配位,在不改變卡賓本身結構的情況下,大大增強了卡賓的親電性,并賦予該雜化卡賓以獨特的反應活性,使其能夠以更快的速度活化惰性化學鍵和小分子。 更重要的是,在該策略的指導下,穩(wěn)定卡賓首次實現了與乙烯的[2+1]環(huán)加成反應??ㄙe的親電性在理論上可以通過改變Lewis酸的種類加以調控,而產物中的Lewis酸片段則可以通過添加強堿消除。利用這種策略對更多惰性小分子的活化與轉化反應研究成果正在整理和投稿之中,敬請關注。
相關工作近期發(fā)表于《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c07923)。文章的第一作者為博士研究生裴潤博(南京大學-上海有機所交流生),通訊作者為王新平研究員。本工作得到國家自然科學基金,國家重點研發(fā)計劃,中國科學院率先行動計劃,南京大學,中科院上海有機化學研究所,配位化學國家重點實驗室和金屬有機化學國家重點實驗室的經費支持。 謹以本文祝賀戴立信院士百歲華誕。
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