催化学报 ›› 2024, Vol. 58: 129-137.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64590-5

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互利共生在有机化学中的应用: 锡氢烷的杂脱氢偶联与喹啉还原的相互促进

刘天伟, 何江华*(), 张越涛*()   

  1. 吉林大学化学学院, 超分子结构与材料国家重点实验室, 吉林长春130012
  • 收稿日期:2023-11-27 接受日期:2023-12-26 出版日期:2024-03-18 发布日期:2024-03-28
  • 通讯作者: *电子信箱: hjh2015@jlu.edu.cn (何江华),ytzhang2009@jlu.edu.cn (张越涛).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22225104);国家自然科学基金(22071077);国家自然科学基金(21975102)

Mutualism in organic synthetic chemistry: Simultaneous heterodehydrocoupling of hydrostannane and reduction of quinoline

Tianwei Liu, Jianghua He*(), Yuetao Zhang*()   

  1. State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China
  • Received:2023-11-27 Accepted:2023-12-26 Online:2024-03-18 Published:2024-03-28
  • Contact: *E-mail: hjh2015@jlu.edu.cn (J. He),ytzhang2009@jlu.edu.cn (Y. Zhang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22225104);National Natural Science Foundation of China(22071077);National Natural Science Foundation of China(21975102)

摘要:

S, O, N, P与Sn原子组成的杂原子锡化合物(SSn, OSn, NSn和PSn)在有机合成和医药领域中具有广泛的应用. 目前, 构建杂原子锡化合物主要采用传统的复分解方法, 但这种方法反应条件苛刻且效率低. 其他构建杂原子锡化合物的方法, 如加成反应和自由基反应等, 也存在底物范围较窄的问题. 在锡烷杂脱氢偶联反应中, 锡烷上的负氢和杂原子上的正氢以氢气的方式逸出, 该过程需要较高的反应能量, 可能导致部分底物反应困难或效率低. 为了解决上述问题, 本课题组在前期工作中(Adv. Synth. Catal., 2021, 363, 5319-5329) 将互利共生的概念应用于有机合成, 采用B(C6F5)3作为催化剂, 通过一锅法实现吲哚的C3位硅烷化或硼烷化以及喹啉的还原. 在这一过程中, 喹啉能够将副产物吲哚啉上的正氢和负氢通过氢转移的方式移除, 既促进了吲哚的官能化反应, 又实现了自身的还原.

在前期工作的基础上, 本文以B(C6F5)3为催化剂, 在锡烷杂脱氢偶联反应中引入喹啉, 协助锡烷和杂原子上的负氢和正氢以氢转移的方式移除, 该反应同时会促进喹啉还原得到四氢喹啉. 在反应过程中, B(C6F5)3催化喹啉的1,4-氢锡化反应生成少量1,4-N-锡化-二氢喹啉, 反应很快达到平衡. 同时游离的B(C6F5)3与杂原子氢化合物(EH)底物组成中间体[ESnH]+[HB(C6F5)3], 该中间体通过氢转移将1,4-N-锡化-二氢喹啉中间体转化为N-锡化-四氢喹啉进而加速喹啉的还原, 而1,4-N-锡化-二氢喹啉可以作为氢受体促进[ESnH]+[HB(C6F5)3]中间体转化生成ESn (E = S, O, N和P). N-锡化-四氢喹啉与EH发生复分解反应迅速生成另一分子ESn和四氢喹啉, 实现相互促进的过程. 该策略能够在温和条件下快速获得57种ESn产物和17种四氢喹啉产物. 在喹啉的辅助下, 含有较大位阻或强吸电子基团的酚类、部分烷基醇、苯胺、吲哚、烷基或芳基磷底物的产率明显提升. 利用该反应体系, 以较高的产率合成了两种药物结构的类似物. 根据一系列控制实验、反应监测、关键中间体捕获及合成实验和氘代控制实验结果, 提出了反应机理. 该互促反应由三部分组成, 分别为喹啉的1,4-氢锡化、正负氢转移以及复分解反应, 氢锡化和氢转移反应相互促进, 复分解反应同时促进氢锡化和氢转移, 进而实现整个反应的相互促进.

综上, 本工作高效合成了杂原子锡化合物以及四氢喹啉化合物, 并对反应机理进行了详尽的研究和阐述, 为有机锡化合物的构建和应用提供借鉴和参考.

关键词: 互利共生, 三(五氟)苯基硼, 杂脱氢偶联, 还原反应, 喹啉

Abstract:

Here we report a one-pot strategy to simultaneously achieve both the heterodehydrocoupling of hydrostannane and reduction of quinoline by using B(C6F5)3 as catalyst under mild conditions. This method realizes the synthesis of heteroatom-tin complexes (NSn/OSn/PSn/SSn) by the same catalyst system. With the assistance of quinoline, the substrate scope was broadened and ESn yield was significantly enhanced. During the reaction, the generated heterodehydrocoupling intermediate [ESnH]+[HB(C6F5)3]- would accelerate the quinoline reduction by transforming 1,4-N-stannyl-dihydroquinoline intermediate into N-stannyl-tetrahydroquinoline whereas 1,4-N-stannyl-dihydroquinoline could serve as hydrogen acceptor to facilitate the conversion of [ESnH]+[HB(C6F5)3]- intermediate to produce ESn (E = N/O/P/S). The metathetical reaction of N-stannyl-tetrahydroquinoline and EH rapidly generates ESn and tetrahydroquinolines, thus mutually promoting the above process. The reaction mechanism is proposed on the basis of control experiments, capture and synthesis of key intermediates and deuterium experiments.

Key words: Mutualism, B(C6F5)3, Heterodehydrocoupling, Reduction reaction, Quinoline