上海科技大学李智教授课题组:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

原创
人物与科研 2020-06-14 08:30 813人阅读


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导语

蒽及其衍生物是一类有着特殊稠环共轭结构的物质。其刚性结构可在组装金属有机框架化合物中作为支撑结构使用。在不对称催化中,取代蒽基也因其独特的位阻和电子效应而被用与手性催化剂的设计。在传统的蒽类化合物的官能化中,最常用的方法是金属催化交叉偶联。这一方法通常需要引入杂原子来实现定位和活化。直接使用C-H键反应的例子较少且底物具有局限性。近日,上海科技大学李智教授课题组通过少量强酸催化,使得蒽与醌在不发生环加成的同时发生自身的氧化还原链式反应,高效一步生成芳基醚类化合物。相关成果在线发表于Org. Lett.DOI: 10.1021/acs.orglett.0c01315)。

 

李智教授课题组简介

 

课题组自成立以来,一直致力于可再生资源转化、绿色化工过程和绿色制药化学等过程中的催化问题的研究。其中重点着力于(1)研究新型路易斯酸催化剂的设计与合成,以及它们在(2)生物质转化、(3)有机合成与制药化学中的应用,促进化学工业向绿色可持续方向发展。课题组成果已在国际知名学术期刊中发表,包括Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed. 等。目前课题组共有博士研究生3名,硕士研究生5名,本科生若干名。

 

李智教授简介

 

李智,上海科技大学助理教授、研究员。2006年毕业于中国科学技术大学,获得学士学位。2011年毕业于美国芝加哥大学,获得博士学位,导师:Hisashi Yamamoto2011-2014年在美国西北大学从事博士后研究,导师:Tobin J. Marks。在博士及博士后工作期间在J. Am. Chem. Sci., ACS Catal., Acc. Chem. Res.等高水平期刊中发表论文十余篇。2015年加入上海科技大学。2018年获得Thieme Chemistry Journal Award

 

上海科技大学李智教授课题组:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应


前沿科研成果:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

 

蒽类化合物在许多光电材料、有机金属框架化合物等材料中存在,且在有机催化等方面也具有重要意义。但在蒽的反应中,直接对C-H键进行官能化的反应报道较少,此前多使用杂原子对蒽进行活化和定位并进行金属偶联反应。若使用强碱催化,目前已知的反应中底物局限性也较大。而基于课题组此前对于酸催化醌类化合物的方法学(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 8196–8200)研究,作者发展了一类在酸催化下蒽与醌发生取代反应生成芳基醚类化合物的反应方法学。本文为研究反应机理进行了多种实验测试,并拓展了多样的芳基醚化合物。(图1)


上海科技大学李智教授课题组:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

1. 酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

(来源:Org. Lett.)

 

作者发现9-苯基蒽类化合物与醌类化合物在酸性条件下并没有生成可能的4+2环加成产物,而生成了一类10位取代的蒽基芳基醚类产物。为明确这一新型产物的生成过程,作者对这一反应进行了研究。作者首先以9-苯基蒽与对苯醌为模板反应,对反应条件进行了优化。在优化过程中,作者发现以二氯甲烷为溶剂,双三氟甲磺酰亚胺(HNTf2)为催化剂的条件最优,以75%的分离产率得到芳基醚类化合物。作者考察了一系列含有不同取代基的蒽类化合物及不同取代基的醌类化合物。(图2不同官能团取代的蒽对反应具有广泛的实用性。而不同取代的醌对反应适应性不佳,氯取代的醌及亚胺形式的醌有较好产率。


上海科技大学李智教授课题组:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

2. 底物适用范围研究

(来源:Org. Lett.)

 

作者进一步对反应机理进行研究。(图3)经过实验证明,在标准反应条件下,9-苯基蒽的10-H可以被置换。EPR实验结果显示反应过程中没有稳定自由基中间体被捕捉到。而Hammett 曲线可说明反应中有阳离子的产生。经多种实验的验证,作者推测反应的机理过程是:1. 氧化还原链式反应:在强酸催化下,蒽被质子化形成正离子,后被体系中的少量对苯二酚亲核进攻得到中间体,后被下一分子醌氧化得到最终蒽基醚类产物,同时对苯醌的还原产物对苯二酚作为下一循环的亲核试剂继续参与反应循环,由此得到链式反应。对于反应中初始的对苯二酚的来源,作者提出了另一机理的可能性:2. 自氧化还原反应:醌的氧原子对质子化蒽进行进攻,随后发生自氧化,得到两种中间体,最后在体系中各个可氧化还原的结构的存在下经过氧化还原过程得到芳基醚产物。


上海科技大学李智教授课题组:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

3. 产物形成的可能机理

(来源:Org. Lett.)

 

在验证了机理的合理性后,作者尝试将氧化剂与亲核试剂分开以获得更多样的底物。(图4.)在筛选后选用四氯对苯醌作为氧化剂,选择多种酚类化合物,分别得到氧取代或苯环取代9-苯基蒽的产物,由此扩大了底物范围。随后,作者继续开发了一类串联反应,在同一条件下由苯二苄酯生成取代蒽类化合物后与醌反应生成对应芳基醚类产物。作者在对产物分子进行一系列的官能团转化后可使其与多巴胺中氨基偶联,使得其存在生物荧光应用的潜力。


上海科技大学李智教授课题组:酸催化蒽至芳基醚的中性氧化还原官能化反应

4. 多样底物范围研究

(来源:Org. Lett.)

 

综上,作者找到一条高效快速合成蒽基芳基醚类化合物的方法,并对该反应进行研究,得到一个新的反应机理,拓宽了蒽类芳基醚的底物范围,且找到其应用潜力。该方法条件温和且易于分离提纯,可以得到多种产物。

 

研究工作实验部分由博士生丁楠完成。研究工作得到了国家自然科学基金(21673141)与上海科技大学启动基金的资助。


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