催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (11): 2059-2067.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63853-6

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锆氢催化的酰胺硼氢化合成胺类化合物研究: 机理、使用范围和应用

韩波a,c, 张炯a, 焦海军b,#(), 吴立朋a,*()   

  1. a中国科学院兰州化学物理研究所, 兰州化物所苏州研究院, 羰基合成与选择氧化国家重点实验室, 甘肃兰州730000, 中国
    b莱布尼茨催化研究所, 罗斯托克18059, 德国
    c中国科学院大学, 北京100049, 中国
  • 收稿日期:2021-04-27 修回日期:2021-04-27 接受日期:2021-05-31 出版日期:2021-11-18 发布日期:2021-06-08
  • 通讯作者: 焦海军,吴立朋
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(91845108);国家自然科学基金(21901247);国家自然科学基金(21902167);江苏省自然科学基金(BK20180246)

Zirconium-hydride-catalyzed site-selective hydroboration of amides for the synthesis of amines: Mechanism, scope, and application

Bo Hana,c, Jiong Zhanga, Haijun Jiaob,#(), Lipeng Wua,*()   

  1. aState Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation, Suzhou Research Institute of LICP, Lanzhou Institute of Chemical Physics (LICP), Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China
    bLeibniz-Institut für Katalyse e. V. Albert-Einstein-Straße 29a, 18059 Rostock, Germany
    cUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • Received:2021-04-27 Revised:2021-04-27 Accepted:2021-05-31 Online:2021-11-18 Published:2021-06-08
  • Contact: Haijun Jiao,Lipeng Wu
  • About author:#E-mail: haijun.jiao@catalysis.de
    *Tel/Fax: +86-512-81880906; E-mail: lipengwu@licp.cas.cn;
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(91845108);National Natural Science Foundation of China(21901247);National Natural Science Foundation of China(21902167);Natural Science Foundation of Jiangsu Province(BK20180246);“Innovation & Entrepreneurship Talents Plan" of Jiangsu Province

摘要:

发展温和条件下胺类化合物的高效合成方法是催化与合成领域长期研究的课题. 其中, 酰胺还原因其原料来源广、易于合成而广受关注. 酰胺还原到胺需要选择性断裂C=O键, 因此该反应具有很大的挑战性. 传统酰胺还原方法需要使用当量的强还原试剂, 如四氢铝锂、硼氢化钠等, 且官能团兼容性较差. 使用氢气还原原子经济性最高, 也最有吸引力; 然而, 目前已报道的体系大都在高温(> 120oC)或高压(>40 bar H2)的条件下进行. 虽然催化硼氢化可以在温和的条件下将羰基化合物还原, 但由于酰胺化合物惰性比较高, 其选择性的催化硼氢化研究则相对较少, 而且在温和条件下对三级、二级、一级酰胺都适用的例子依然非常有限.
本文采用前过渡金属锆氢催化剂实现了室温条件下酰胺选择性硼氢化制备胺类化合物, 并进行了详细的机理研究. 原位红外监测到反应过程中酰胺和硼烷逐渐减少, 目标产物逐渐增多; 但并未给出其他反应中间体的信息. 核磁研究以及对照实验结果表明, 反应中有苯甲醛的生成, 可能是反应中间体. 因此推测, 该催化体系经历了锆氢介导的酰胺C-N键断裂、重组、C-O键断裂这一特殊的酰胺键活化转化过程. DFT计算也证实了上述反应历程的可行性. 除一些常见官能团外, 本方法对羧酸酯、氰基、硝基、烯烃和炔烃这些可能被硼氢化的官能团同样具有兼容性. 而且本文体系对一些生物、药物分子衍生酰胺的硼氢化也可以顺利进行. 可见, 本文发展了一种温和条件下使用廉价催化剂和原料选择性合成胺类化合物的方法.

关键词: 锆, 酰胺, 硼氢化, 胺, 催化

Abstract:

Developing mild and efficient catalytic methods for the selective synthesis of amines is a longstanding research objective. In this respect, catalytic deoxygenative amide reduction has proven to be promising but challenging, as this approach necessitates selective C-O bond cleavage. Herein, we report the selective hydroboration of primary, secondary, and tertiary amides at room temperature catalyzed by an earth-abundant-metal catalyst, Zr-H, for accessing diverse amines. Various readily reducible functional groups, such as esters, alkynes, and alkenes, were well tolerated. Furthermore, the methodology was extended to the synthesis of bio- and drug-derived amines. Detailed mechanistic studies revealed a reaction pathway entailing aldehyde and amido complex formation via an unusual C-N bond cleavage-reformation process, followed by C-O bond cleavage.

Key words: Zirconium, Amide, Hydroboration, Amine, Catalysis