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炔丙基自由基的形成与转化研究进展

期刊:European Journal of Organic ChemistryDOI:10.1002/ejoc.202500302

本文是一篇综述(review),发表于 Eur. J. Org. Chem. 2025年第28卷,文章编号e202500302,作者为Bi-Yin Xiao、Wei Huang和Feng-Hua Zhang,通讯作者单位为中国科学院大学杭州高等研究院药物科学与技术学院,以及中国科学院上海药物研究所。文章系统总结了2020至2025年间炔丙基自由基(propargyl radical)的形成与转化研究进展。

炔丙基自由基是有机合成中一类非常重要的活性中间体。由于自由基与炔烃之间存在共轭结构,炔丙基自由基既可以直接与金属物种结合参与炔丙基化合物的合成,也可以通过异构化(tautomerization)转变为联烯基自由基(allenyl radical),进而参与联烯类化合物的合成。这种双反应性使得如何控制反应的化学选择性(chemoselectivity)和对映选择性(enantioselectivity)成为炔丙基自由基官能团化领域的关键科学问题。本综述按照炔丙基自由基的生成方式、不同反应类型以及不对称催化转化三个方面,对近年来的代表性工作进行了梳理和评述。

文章首先综述了从炔丙基亲电试剂(propargyl electrophiles)出发的外消旋反应。在镍催化方面,Liang和Xiao课题组报道了镍/光氧化还原共催化的炔丙基碳酸酯与烷基DHP酯的偶联反应,以及炔丙基碳酸酯与NHPI酯或Katritzky吡啶鎓盐的交叉亲电偶联反应,这些方法能够在氧化还原中性或还原条件下高效合成联烯类化合物。Amgoune课题组利用(TMS)₃SiH与烷基卤化物发生卤原子转移(XAT)过程,实现了镍催化的炔丙基碳酸酯与简单烷基卤化物的交叉亲电偶联。在铜催化方面,Ma课题组和Xiao课题组分别独立报道了铜/光氧化还原共催化的炔丙基碳酸酯与TMSCN的偶联反应,得到一系列联烯腈类化合物。Gao课题组发展了光氧化还原/铜双催化体系下炔丙基衍生物的选择性硫代磷酸酯化反应,发现底物类型对区域选择性具有决定性作用:二级炔丙基自由基倾向于生成炔丙基产物,而三级炔丙基自由基则因空间位阻更易异构化为联烯基自由基,最终生成联烯产物。此外,钯催化、钛催化和氮杂环卡宾(NHC)催化也被用于炔丙基亲电试剂的官能团化反应,例如Liang和Chen课题组报道的钯/光氧化还原共催化炔丙基苄基化反应,Li课题组报道的钛/光氧化还原双催化醛的联烯基化反应,以及Du课题组报道的NHC催化的醛与炔丙基溴的直接C–H联烯基化反应。

其次,文章详细讨论了从1,3-烯炔(1,3-enynes)出发的外消旋反应。1,3-烯炔是生成炔丙基自由基的另一类重要前体。在铜催化体系中,Liu课题组早在2018年就报道了配体控制的1,3-烯炔自由基1,2-和1,4-加成反应。后续研究进一步表明,当1,3-烯炔的2位带有取代基时,生成的炔丙基自由基为三级自由基,难以被铜催化剂捕获,因而会异构化为联烯基自由基并被铜催化剂捕获,最终得到联烯产物。Ma课题组和Yang课题组分别报道了铜催化的1,3-烯炔与TsI和Togni’s reagent II的偶联反应,高效制备了联烯基卤化物。Wu课题组实现了铜催化的1,3-烯炔、二硒醚、DABCO·(SO₂)₂和环酮肟酯的四组分反应,构建了氰基烷基磺酰化的联烯基硒化物。此外,铜催化的1,3-烯炔氢官能团化反应也被用于合成1,2-联烯基酮等化合物。在镍催化体系中,1,3-烯炔的1,4-双官能团化反应被广泛探索,根据自由基前体和反应物的性质可分为亲电自由基前体/亲核试剂、亲核自由基前体/亲电试剂、亲电自由基前体/亲电试剂三种类型。Guo课题组和Wu课题组还报道了镍催化的羰基化1,4-双官能团化反应,利用芳基硼酸作为亲核试剂,合成了一系列联烯基酮。在钯催化方面,Ying课题组和Wu课题组分别实现了1,3-烯炔的四组分磺酰化/羰基化反应和羰基化多组分氟烷基化反应。NHC催化的1,3-烯炔双官能团化反应也得到了发展,例如利用醛和酰氟作为酰化试剂,实现了联烯基酮和氟化联烯基酮的合成。此外,铬催化的Nozaki–Hiyama–Kishi(NHK)反应、光催化和电催化的无金属参与反应也被用于1,3-烯炔的自由基官能团化。

再次,文章综述了通过氢原子转移(HAT)从炔丙基或联烯基C–H键生成自由基的外消旋反应。Ma课题组利用铜催化剂与N–F试剂之间的单电子转移(SET)过程产生氮自由基,再通过分子内1,5-HAT过程攫取炔丙基C–H键的氢原子,生成炔丙基自由基,进而与TMSCN偶联得到联烯基腈类化合物。Liu课题组和Wu课题组独立报道了铜催化的联烯C(sp²)–H键位点选择性氰化反应,机理研究表明联烯基C(sp²)–H键具有较低的键解离能(BDE),因而更容易被攫取。利用类似的策略,铜催化的联烯C(sp²)–H芳基化和炔基化反应也被成功实现。

文章的后半部分重点介绍了不对称催化转化。在从炔丙基亲电试剂出发的对映选择性反应中,Meng课题组报道了光氧化还原/钴催化的醛与炔丙基碳酸酯的对映选择性炔丙基化反应,获得了一系列手性高炔丙醇。Wang课题组发展了铬催化的醛与炔丙基卤化物的对映汇聚式联烯基化反应,得到了具有相邻轴手性和中心手性的手性α-联烯醇。Xiao课题组和Wu课题组分别报道了铜催化的不对称炔丙基自由基氰化反应,利用手性铜配合物实现了高效的手性控制。Liu课题组还报道了铜催化的炔丙基溴与膦酸酯或硫代磺酸钠的不对称偶联反应,构建了手性炔丙基磷化合物和硫化合物。在镍催化方面,Fu课题组和Oestreich课题组分别报道了镍催化的炔丙基溴与烷基锌试剂的对映选择性交叉偶联反应,其中Oestreich课题组发现底物中炔丙位取代基的空间位阻对区域选择性有重要影响。Wang课题组报道了镍催化的炔丙基氯与芳基碘化物的对映选择性交叉亲电偶联反应,Shu课题组报道了镍催化的炔丙基酯与氯锗烷的不对称偶联反应,Guo课题组则报道了镍电催化下CO₂参与的对映选择性还原炔丙基羧化反应。在从1,3-烯炔出发的不对称反应中,Wang课题组报道了双光氧化还原/铬催化的1,3-烯炔不对称1,4-官能团化反应,Bao课题组报道了铜催化的对映选择性自由基1,4-双官能团化反应,Liu课题组和Guo课题组分别报道了铜催化的1,3-烯炔不对称1,4-烷基/炔基化和芳基/炔基化反应。Chen课题组和Xiao课题组则分别实现了铜催化的1,3-烯炔不对称1,2-双官能团化反应和三组分交叉偶联反应。此外,He课题组报道了镍催化的1,3-烯炔对映选择性和区域选择性还原1,4-芳基烷基化反应。最后,在通过HAT从炔丙基C–H键出发的不对称反应中,Liu课题组报道了首例铜催化的炔丙基C–H键对映选择性自由基氰化反应,以及通过分子内1,5-HAT过程实现的炔丙基C–H键不对称氰化反应。

总体而言,该综述系统梳理了2020至2025年间炔丙基自由基化学的主要进展,涵盖了镍、铜、钯、钛、铬、钴、NHC等多种催化体系,以及光催化、电催化等新型反应模式。文章不仅总结了外消旋反应的策略和方法,还重点关注了不对称催化转化这一更具挑战性的方向,特别是如何通过调控底物结构、配体类型和反应条件来实现化学选择性、区域选择性和对映选择性的高效控制。这些研究成果极大地丰富了炔丙基自由基化学的反应类型,为合成结构多样的炔丙基化合物和联烯化合物提供了新的思路和工具,对有机合成方法学的发展和药物化学、材料化学等相关领域的应用具有重要的推动作用。

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