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Science：飽和C-H鍵和C-C鍵的“一刀兩斷”

來源: X-MOL 2017-09-12 14:29:56

近年來，過渡金屬催化的C-C鍵活化由于在化學鍵斷裂、重組中發揮重要的作用，因而引起越來越多的關注。C-C鍵的活化主要通過具有環張力的C-C鍵對低價金屬氧化加成形成環金屬物種，進而與不飽和分子發生反應。早在1980年，美國埃默里大學的Liebeskind教授便報道了C-C鍵活化形成化學計量的環金屬物種與炔烴的環加成反應（J. Am. Chem. Soc., 1980, 102, 7397）。隨后，Liebeskind教授證實該反應可以通過Ni的催化實現（J. Am. Chem. Soc., 1991, 113, 2771）。1994年，日本京都大學的Murakami教授則報道了Rh催化酰基C-C鍵的氫化活化（Nature, 1994, 370, 540）。隨后，韓國延世大學的Jun教授（J. Am. Chem. Soc., 1999, 121, 880）和Murakami教授（J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 13976）分別實現了Rh催化酮參與的烯烴分子間和分子內碳酰化反應。

盡管目前過渡金屬催化的不飽和鍵對C-C鍵插入的報道已經屢見不鮮，然而形式上的飽和C-H鍵對C-C σ鍵的插入卻至今沒有實現。近期，美國德州大學奧斯汀分校（UT Austin）的Michael J. Krische教授（點擊查看介紹）在Science 上報道了Ru催化下鄰二醇的兩個鄰位α C-H鍵對苯并環丁烯酮C-C鍵的插入反應，并且成功地將其應用到II型聚酮類天然產物骨架的構建中。反應不僅具有良好的產率，而且可以得到理想的非對映選擇性。

在過去的研究中，作者報道了α-羥基酯或1,2-二醇在Ru催化劑和二烯的作用下，經由脫氫生成雙羰基化合物，從而實現醇α位的C-H鍵官能化反應（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 15700-15703；J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 3796-3799）。作者推測C-C鍵活化形成的環Ru中間體也能與1,2-二醇作用，表現出類似的反應性。于是，作者從苯并環丁烯酮1a和外消旋的反式-環己烷-1,2-二醇出發，在Ru3(CO)12和配體dppp的作用下，于110 ℃條件下反應24 h，能以22%的分離收率和順式非對映異構體選擇性得到環加成的產物3a。當使用二甲苯作為溶劑，溫度升至150 ℃時，反應的產率可以提升至88%。

隨后在該優化條件下，作者對苯并環丁烯酮和外消旋的反式-環己烷-1,2-二醇的底物范圍進行了考察。對于苯并環丁烯酮類化合物，芳香環上不同的取代基，如甲氧基、縮醛、酰胺、鹵素等都可以很好地兼容。而作者考察二醇類化合物發現，5-7元環均可以有效地參與反應。烷基脂肪鏈上的甲氧基、硅醚均能得到兼容。反應的產率高、非對映選擇性好，不少產物的結構得到了X射線單晶衍射表征的確認。

為了證明該反應的實用性，作者對產物3g進行了衍生化研究。芳香親核取代和Suzuki反應的順利進行表明產物可進行后續的轉化得到其他不同的衍生結構。二醇、α-羥基酮和二酮均可作為原料實現該反應，證明該反應不受氧化還原條件的限制。

基于以往的報道，作者對該反應提出如下的機理：苯并環丁烯酮1a對Ru(0)氧化加成生成中間體I。隨后與體系中氧化得到的環己二酮作用，經過兩次羰基插入得到中間體III。III與環己醇的羥基作用生成中間體IV，進而發生β-H消除得到中間體V。V經還原消除得到最終產物，同時重新生成Ru(0)物種完成催化循環。

——總結——

在該工作中，Michael J. Krische教授課題組實現了Ru催化苯并環丁烯酮與1,2-二醇經由環加成反應構建II型聚酮類化合物骨架分子，實現了C-C鍵活化和兩組C-H鍵的官能團化。反應具有良好的產率以及優秀的非對映選擇性。在后續的研究中，作者發現該工作可能實現相應的對映異構化過程，必將在II型聚酮類藥物的合成中發揮重要的作用。

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