（有机化学专业论文）铜催化卡宾对高极性ch键的插入反应研究.pdf

中图分类号： u d c ： 学校代码： 1 0 0 5 5 密级：公开 蛊稳炙淫 硕士学位论文 铜催化卡宾对高极性c h 键的插入反应研究 z 3 s 8 2 【 图1 2 0 b r 5 6 y i e l d 1 2 d e 9 2 e e 烯烃上的位阻和电性的调整能够有效的提高反应的选择性。例如，d a v i e s 小组3 8 在对烯醇硅醚类底物的c - h 键插入反应中，获得了高达9 0 的非对映选 择性和8 4 e e 的对映选择性( 图1 2 1 ) 。 t b d p s 、o： t b d p s 、o p h j + 扩叫e 1 1 4 苄位c - h 键的插入反应 r h 2 ( s - d o s p ) 4 2 。2 一d m b ，3 0o c 图1 2 l 6 5 y i e l d ， 9 0 d e 。 8 4 e e 在苄位的c - h 插入反应中，报道最多的是分子内的c - - h 键插入反应。早 在2 0 世纪七十年代，g h a t a k 小组3 9 就报道了分子内的苄位c - - h 键插入反应。 插入产物3 作为关键中间体应用于天然产物a t i s i n e ，r e a t c h i n e 和g i b b e r e l l i n 4 0 的 全合成中( 图1 2 2 ) 。 r 1 r 1 图1 2 2 1 1 c u 2 0 h v h e a t r 1 r t = r 2 = h ： r 1 _ h r 2 = o c h 3 ： r 1 - o c h 3 ，r 2 = h 3 2 0 - 5 0 c o m b i n e dy i e l d 第一章前言 相对于分子内c _ h 键插入反应而言，分子问的c - _ h 插入反应要实现较高 的化学选择性和立体选择性则困难得多4 1 ，4 2 。直到2 0 0 2 年，d a v i e s 小组4 3 使用 r h 2 ( s - d o s p ) 4 为催化剂，首次实现了对甲苯苄位的c - h 键插入反应。但是，目 标产物4 只有1 4 的收率，主要得到在苯环上进行环丙烷化的产物( 图1 2 3 ) 。 n 2 c 0 2 m e r h 2 ( s - d o s p ) 4 2 ，2 一d m b ，5 0o c 晰+ 4 图1 2 3 h 5 6 i h + 7 c 0 2 m e ：1 5 + 6 ) = 2 8 ：7 2 当增加芳环上的位阻时，能够有效的抑制环丙烷化反应，提高插入反应的 选择性。当以r h 2 ( s - d o s p ) 4 为催化剂，对二甲苯为底物时，能以7 0 的收率和 7 4 e e 得到c - _ h 键插入产物。当芳环上有其它取代基团时，也能取得比较好的 结果( 图1 2 4 ) 4 4 。 n 2 b r c 0 2 m e r h 2 ( s - d o s p ) 4 2 ，2 一d m b ，5 0o c 7 0 y i e l d 7 4 e e 第一章前言 c 0 2 m e m e o r h 2 ( s - d o s p ) 4 2 ，2 - d m b ，5 0o c 1 1 5 羰基q 位c - i l l 的插入反应 图1 2 4 t b s o 8 0 y i e l d ，7 7 e e 一般认为，c h 键的插入活性是叔碳c - h 仲碳c - h 伯碳c h ，而位阻 的影响正好相反。所以，c - h 键插入的选择性是由电子效应和位阻效应共同决 定的。c 坩键插入反应的机理已经研究的比较成熟，图1 2 5 所示的是目前被大 家广泛接受的c - _ h 键插入过渡态。金属卡宾具有良好的亲电性，当以重氮乙酸 酯或重氮丙二酸酯为卡宾前体时，强拉电子的酯基使金属卡宾的亲电性增加， 其结果是c h 键插入的区域选择性明显降低4 5 舶。近几年来，化学家们发展了 一系列具有大位阻配体的铜4 7 、银4 8 催化剂，反应的选择性得到了一些提高。直 到具有给电子和拉电子基团的重氮化合物( d o n o r a c c e p t o r ) 发展起来，才有效 的抑制了卡宾自身的偶联反应，使分子间c - h 键插入的化学选择性有了突破性 的提高卅。 6 一 r h e d g = a r y l 。v i n y l e w g = c a r b o n y lo re s t e rg r o u p r = n ，0 ，a r y l ，v i n y l 图1 2 5 当c - h 键的邻位受到o 、n 等杂原子或碳碳双键活化时，c - h 键更富电子， 对插入反应有利；当邻位有拉电子基团时，c _ _ h 键极性增强，电子密度降低， 对插入反应不利。图1 2 6 非常直观地说明了电子效应和空间效应对c _ - h 键插 入反应的影响6 。 1 3 第一章前言 图1 2 6 因此，对于邻位有强拉电子基团的c _ h 键的插入反应至今报道的很少，并 且都是分子内的插入反应，其结果也很差。1 9 8 7 年，b a r r e 和u g u e n 5 0 报道了第 一例分子内的羰基0 【位c _ h 键插入反应，收率仅有1 8 ( 图1 2 7 ) 。 之心s 0 2 r h 2 ( o a c ) 4 b e n z e n e 图1 2 7 1 8 y i e l d 1 9 9 1 年，d o y l e 小组5 1 报道了另一例分子内羰基a 位c h 键插入反应，目 标产物仅有2 6 ，主要产物是杂原子活化的c 坩键插入产物( 图1 2 8 ) 。 oo y 寸 c 0 2 e t r h ( a c e t a m i d a t e ) t oe t o y o # o + 【 产o + 一n 七 6 4 y i e l d 10 y i e l d2 6 y i e l d 图1 2 8 1 9 9 8 年，s r i k r i s h n a s 2 报道了以r h 2 ( o a c ) 4 为催化剂的又一例分子内羰基a 位c - h 键插入反应，收率高达9 0 ，这也是目前报道的最好结果( 图1 2 9 ) 。 在该反应中，位阻因素起了决定性作用。 1 4 第一章前言 r h 2 ( o a c ) 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - c h 2 c 1 2 ，r e f l u x 图1 2 9 9 0 y i e l d 从以上例子中我们可以看到，对于分子内插入反应来说，虽然电子效应对 插入反应是不利的，但空间效应却是有利的，反应的机理被认为与图1 1 7 所示 一致。而对于分子间插入反应，电子因素对反应的选择性起到了决定性作用。 由于金属卡宾对杂原子氢键也具有很高的插入活性，因此，在对分子间羰基a 位c _ h 键插入反应的尝试中，一般得到的是烯醇式异构体o - h 键插入产物。 例如，1 9 8 9 年，l a n d g r e b e 小组5 3 报道了以c u c i 为催化剂，重氮乙酸酯与酮类 的反应，只得到了烯醇o - h 键插入并且双键异构化的混合产物，收率也非常低 ( 图1 3 0 ) 。 o 儿+ n 歹、0 2 e t o l p h + n 夕c 0 2 e t c u c i c u c i 图1 3 0 b ：e 日多k + ) 7 8 c o m b i n e dy i e l d2 5 - 4 0 r a t i o7 8 = 3 ：1 。严。尸 p h + p h 当使用环酮类化合物为底物时，得到的仍然是烯醇o - h 键插入产物。2 0 0 0 年，c o r e y 小组5 4 报道了一系列环酮类底物的烯醇插入反应，均取得了较好的结 1 5 第一章前言 0 一呲雠t 嚣 o c o z 邺一c o 咀器 图1 3 1 o c h 2 c o o e t 审 o - c h 2 c o o e t 占z 7 6 y i e l d 有趣的是，双羰基活化的c _ h 键插入反应也有报道。早在1 9 7 1 年，w u l f m a n 小组巧发现了重氮丙二酸酯对丙二酸二甲酯的c _ h 键插入反应。以 c u c i p ( o m e ) 3 为催化剂，苯为溶剂，在回流条件下，以5 3 的收率得到了c _ h 键插入产物( 图1 3 2 ) 。根据传统的理论和实践经验，丙二酸二甲酯亚甲基上的 电性对于插入反应是极为不利的。而该反应的实现主要在于重氮丙二酸二甲酯 具有很高的稳定性，在反应条件下不容易发生偶联。另外丙二酸二甲酯较小的 位阻为该反应也提供了相对有利的空间因素。对于该反应的详细情况和反应机 理，w u l f m a n 并没有做进一步的研究和讨论。 。n n 2 。n oo 。等) 图1 3 2 oo 5 3 o j o 1 9 7 4 年，d a n i s h e f s k y 5 6 报道了第一例邻位有羰基和酯基的c _ 埘键插入反应。 他们通过加入大量的青铜粉为催化剂，在1 4 0o c 高温下分解重氮丙二酸二甲酯， 希望对化合物1 l 进行环丙烷化制备化合物1 2 时，却意外地以中等收率( 5 1 y i e l d ) 得到了c - - h 键插入产物1 3 ( 图1 3 3 ) 。d a n i s h e f s k y 认为这一反应在合成 1 6 x 第一章前言 上是非常有意义的。同时，他认为该反应可能是经过金属卡宾对底物的烯醇式 异构体c = c 进行环丙烷化然后开环的机理进行的，但并没有作深入研究。 以c o ：m e 佻f 。2 m e 八儿，2 + n 。f 0 2 4 1 c 0 2 m e 。m e 0 2 c 下c ，o 2 m e 八9 , c u b r o n z e ，0 0 2 m ek 人7 - - - - - - - - - - - -l 1 4 0o c 图1 3 3 n op r o d u c t 5 1 y i e l d 1 9 8 9 年，l a n d g r e b e 等人5 7 在研究金属卡宾对烯醇的o - h 键插入时也发现 了类似的反应。他们以重氮乙酸酯为底物，c u c i 或r h 2 ( o a c ) 4 为催化剂，与乙 酰乙酸乙酯进行反应的时候，同时以l ：1 的比例得到了烯醇式异构体q - h 键 插入产物和羰基a 位的c h 键插入产物( 图1 3 4 ) 。 o 儿，c 0 2 e t + n 2 c h c 0 2 e t c u c i 图1 3 4 o c 0 2 e t 十 0 0 2 e t , o c h 2 c 0 2 e t 夺 c 0 2 e t l o wc o m b i n e dy i e l d r a t i o1 ：1 当以环状结构的p 一酮酸酯进行反应时，同样以接近l ：l 比例的结果到了烯 醇式异构体o - h 键插入产物和c - h 键插入产物，总收率只有4 0 - 5 5 ( 图1 3 5 ) 。 l a n d g r e b e 同样认为该反应可能是经过金属卡宾对底物烯醇式异构体c = c 键进 行环丙烷化- 开环的机理进行的。 1 7 第一章前言 奄：e t n 2 c h c o o e t c a t 泛而丽i r y i e l d4 0 - 5 5 瞄h c o z c 2 c 0 日2 e t + 奄o c h c 2 c 嘴0 2 e t + c u c i r h 2 ( o a c ) 4 1 2 - 1 3 2 4 2 4 34 - 5 6 4 - 6 51 m 1 1 c u c i r h 2 ( o a c ) 4 3 昏3 85 7 1 8 1 98 & 8 5 孓61 冬1 5 n ( h 2 时c 嘞0 2 e 司t l n ( h ：c ) ，y c o ：e ti l l j 第二节立题思想 o ，c h 2 c 0 2 e t 奄z e t c u c i r h 2 ( o a c ) 4 卡宾对c - h 键的插入反应发现至今已有6 0 多年的历史了，化学家们在这 一领域也取得了辉煌的成就。从上文概述中我们知道，研究最广、报道最多的 是富电子c h 键的插入反应。人们还成功地把很多c h 键插入反应应用于复 杂分子的全合成中，使c _ - h 键插入反应受到越来越多的关注。而对于0 【位有拉 电子基团c - h 键的插入反应一直以来都被认为是很难实现的。目前，只有少数 的例子实现了分子内羰基a 位的插入反应，其结果普遍都比较差。在分子间成 功进行插入的报道目前也很少，一般得到的是对烯醇式异构体进行d _ h 键插入 的产物5 3 , 5 4 。 在以往的报道中，分子间的c - h 键插入反应往往不具有合成上的意义。其 原因有两点，一方面，分子间c - - h 键插入反应很难达到合成上所要求的化学选 择性和立体选择性；另一方面，分子间d h