氧族元素取代的烯基锆化合物的合成及应用研究进展

郑芬芬,郑卫新,吴阳锋

(杭州师范大学材料与化学化工学院,浙江杭州310036)

氧族元素取代的烯基锆化合物的合成及应用研究进展

郑芬芬,郑卫新＊,吴阳锋

(杭州师范大学材料与化学化工学院,浙江杭州310036)

介绍了近几年氧族元素取代的炔烃、烯烃与有机锆试剂作用生成官能团化烯基锆化合物的反应及其在有机合成中的应用研究进展.

有机锆试剂;氧族元素取代化合物;官能团化烯基锆

含各种取代基、构型确定的碳—碳双键是构成庞大的有机物系包括生命体、有生理活性的天然产物、药物和有机材料的重要骨架[1-5].因此实现碳—碳双键的选择性形成是目前合成化学的研究热点之一,在有机化学中占有非常重要的地位.

官能团化烯烃的选择性化学转化是合成多取代烯烃的重要策略,而含氧族元素基团是一类具有重要化学活性及生理活性的基团[6-10].例如1,2-二碲取代烯基可以转化为三取代的烯烃[6];1,1-二硒或碲取代的烯烃由于具有取代基独特的电子效应,在合成特定碳骨架中占优势[7];烯基硫醚与Se-BuLi/THF-HMPA体系反应转化为烯基锂,在一些氧化剂(如CAN、DDQ、A IBN等)的作用下失去一个电子,成为带一个正电荷的烯基硫醚活泼基,烯基硫醚化合物的-SR基可以被亲核试剂或氢或锂取代,能水解为醛酮,也能氧化为亚砜、砜[11].作为一种有效的中间体,烯基硫醚骨架中的硫基团可进一步转化以合成一些直接环加成无法得到的具有特定构型的化合物,如萜类化合物CJ-12662和CJ-12663[12],是实现区域及立体化学选择地合成环状化合物的一种有效方法.

氧族元素取代的烯烃还广泛存在于一些天然药物中,例如对生殖功能、生殖健康有着显著调节作用的β-芳基-17,17-螺硫代类固醇类化合物[13]和用于抑制血小板聚合、预防和治疗心血管紊乱(如:血栓症)的螺苯并噻吩酮类化合物[14]等都是构型确定的含硫化合物.作为安定药使用的氧杂螺环化合物如3-二甲基氨基甲基-4-苯基-1-氧杂螺[4.4]-2-壬酮[15]和抗抑郁症的2’-取代-螺[3 H-苯并呋喃-2,1’-环己烷][16]等都是含氧化合物.因此,氧族元素取代烯烃已成为多功能合成砌块广泛应用于多个领域.

近几十年来,有关有机锆配合物化学的研究十分活跃,对新的锆配合物的合成、结构、反应性能及反应机理的研究报道日益增加.氧族元素基团取代的烯基锆化合物,作为一种多官能团反应中间体,已成为合成多取代烯烃的重要途径之一[17],开展有关氧族元素取代多官能团烯烃的合成及应用研究具有一定的理论意义及实际应用价值.

在此将介绍近年来氧族元素取代的烯基锆化合物的合成及其应用研究进展.

1 通过锆氢化反应合成多官能团烯烃及其应用研究

炔烃的锆氢化反应可选择性地合成烯基锆化合物,该类反应具有高度的化学、区域、立体选择性,普适性强,反应条件温和及现象明显等优点,是形成结构确定烯烃的有效途径[18-23],被广泛应用于许多复杂有机化合物的合成中.近年来官能团化炔烃的锆氢化反应更是受到世人的广泛关注,可用以合成官能团化的烯基锆化合物,基于碳-金属键和碳-杂原子键反应活性的差异,可选择性地切断化学键,将不同基团导入分子中,合成构型确定的多取代烯烃[19-25].反应中所使用的锆氢化试剂又叫Schwartz试剂,由Wailes和Weigold在1970年首次合成[26],Schw artz于1974年首次应用于烯炔的反应中[22].研究结果表明该试剂具有以下特点:1)该试剂与常用的硼氢化、铝氢化试剂不同,它不燃烧、对空气和水较稳定、对光稍敏感、易于操作和保存;2)该试剂可回收,重新制备使用;3)具有较好的化学选择性、区域选择性和立体选择性,反应条件温和,操作简便等特点;4)能够与其它元素结合,可以作为具有特定功能的催化剂或者反应试剂使用.

1.1 与炔基硒醚反应

端炔基硒醚的锆氢化反应中的立体化学是顺式加成.由于二茂锆的位阻效应,锆试剂加在末端碳原子上,生成E-1-硒基烯基锆化物1(反应式1),反应具有高度区域、立体选择性[17].

若底物是脂肪内炔基硒醚,两端基团的空间效应对反应有较大的影响,锆氢化反应可能会产生两种区域异构体,其比例取决于取代基的结构(反应式2).

因含有d空轨道的硒原子对碳负离子的稳定化作用,上述反应以生成1-硒基-1-烯基锆化合物2为主,同时生成区域异构体2-硒基-1-烯基锆化合物3.随着炔烃上脂肪基碳链的增长,空间效应使反应具有更好的区域选择性.反应机理可能为产物发生二次锆氢化反应(反应式3).

在第一次锆氢化时锆部分首先加在位阻较小的硒基β-碳上,形成的化合物3继而发生第二次锆氢化反应.由于锆基团上茂基立体位阻效应,生成双锆中间体I,经β-氢消除反应分别形成热力学稳定的化合物2与3.这两种产物可通过与亲电试剂如C4H9TeBr反应,分别生成的产物4,5加以确定,反应后构型保持[27-28](反应式4).

Lipshutz等[29]报道了三烷基锡炔的锆氢化的区域化学,锆加在含有R3Sn基团的sp2杂化的碳上,原因可能为Sn金属与锆配体上的氯原子的配位作用[30].在此基础上,Dabdoub等[6]提出不同取代炔烃的锆氢化反应主要生成热力学稳定的E-构型烯烃,即内炔基硒醚的锆氢化反应主要选择性地生成1-硒基烯基锆.

而对于苯乙炔丁基硒醚,加成产物具有单一性,可能是硒原子与碳—碳双键的p-π共轭使硒带有部分正电荷,可以与锆试剂上氯的孤对电子发生配位形成相对稳定的环状配合物,该环状骨架的形成及碳—碳双键与苯环的π-π共轭效应控制了该底物锆氢化反应的区域及立体化学(反应式5)[17],使反应产物具有专一性.

反应式4Scheme 4

反应式5Scheme 5

反应式6Scheme 6

反应式7Scheme 7

当底物为炔基硒锂盐时,由于金属锂和锆基团上氯原子的螯合作用这一强烈的定位效应,使锆基团区域专一地加在硒的α位(反应式6)[31].

1.2 与炔基碲醚反应

碲元素取代的炔烃化合物锆氢化时,和硒基炔烃的反应类似,锆主要加在连有碲基团的碳原子上(反应式7)[32-36].

在该反应中,由于碲与氯原子的强烈作用,可以通过环状结构7或8的形成而使反应具有选择性.因此1.0当量的底物需与2.0当量的锆氢化试剂结合,在得到产物的同时消耗了锆氢化试剂.锆氢化反应是一种化学计量反应,过量的锆氢化试剂会使异构体产物增加,但是若使用量太少,转化速率很慢,且不能反应完全.在炔基碲醚的反应中锆氢化试剂用量控制在2.0当量时产物具有最高的立体选择性,即反应的区域选择性取决于底物及锆氢化试剂的用量.而温度对该反应没有明显的影响[37].

2 Negishi试剂与氧族元素取代烯基化合物的反应

低价过渡金属与碳—杂原子键的氧化加成是形成新的碳金属键的重要策略.由Cp2ZrCl2与2.0当量的正丁基锂制备而得的Negishi试剂,通常作为14电子活性物种“Cp2Zr(II)”的等当体,与烷氧基、硅氧基、烷基硫、芳基硫、亚砜、酰氧基等取代的烯烃的反应受到了广泛关注.

2.1 与氧族元素取代的烯基醚类化合物的反应

Negishi试剂能与氧族元素取代的烯基醚类化合物反应,反应具有很好的选择性(反应式8).E构型或Z构型的二取代烯烃在同等条件下与Negishi试剂反应,都生成相同E构型烯基锆化合物产物,与亲电试剂反应后,产物构型保持,生成E构型的二取代烯烃.

反应式8Scheme 8

无论是E构型还是Z构型的烯烃与Negishi试剂反应后,产物均为E构型,说明Negishi试剂在异构化反应中并不是催化剂,反应可能的机理为:金属锆首先与烯烃生成π-配合物9,继而发生碳碳双键的插入形成σ-配合物锆杂环戊烷10,由于锆中心β位有电负性杂原子基团取代,10易发生β-消除形成锆杂环丙烷11,经锆中心诱导,发生再一次β-消除生成E型产物12.由于β-消除是热力学控制过程,生成稳定的E型产物(反应式9).

反应式9Scheme 9

2.2 与烯基砜和烯基亚砜的反应

含硫基团具有好的反应特性和活性,作为好的离去基团,在反应中很容易消除.同时,由于碳—硫键的极性,使得碳—硫键容易断裂,发生亲电取代合成碳—碳键的烯烃化合物,因此,含硫基团是有机合成中有效的工具.以往将烯基亚砜变成烯基金属衍生物是通过不对称合成等一些方法实现的,Marek课题组发现sp2杂化的金属衍生物可通过烯基亚砜与2当量的Negishi试剂反应来制得.1当量的Negishi试剂在室温下1 h首先将烯基亚砜还原为烯基硫醚,并且伴随着固体[Cp2Zr=O]n的生成,在这种温和条件下没有发现双键的异构化,生成的乙烯基硫醚再与1当量Negishi试剂反应生成乙烯基锆的中间体.反应立体专一地生成E型乙烯基锆衍生物中间体,具有较好的选择性[38-39](反应式10).

反应式10Scheme 10

若烯基砜与Negishi试剂反应,无论是E型还是Z型的烯基砜,反应后都只生成E型的烯基锆的衍生物[40-42](反应式11).

反应式11Scheme 11

2.3 与氧族元素取代的非共轭的二烯烃反应

Negishi试剂还能将氧族元素取代的非共轭二烯烃异构化为共轭的二烯烃.Negishi课题组曾发现低价锆的衍生物Cp2Zr(C4H8)2能够将取代较少的非共轭二烯烃的双键异构化为共轭的二烯烃二茂锆的化合物,这种异构化不仅仅局限在短碳链的二烯烃,甚至6～9个碳链的也可以发生这种异构化,但是随着碳链的增长,产率有降低的趋势.这种含二茂锆的产物可以作为好的反应合成子,与亲电试剂反应制备相应的共轭二烯烃,并且在催化量的氯化亚铜存在下与烯丙基氯发生偶联反应,生成更长链的共轭二烯烃(反应式12).通过该方法,可有效地从简单易得的不饱和烯醇醚合成共轭二烯烃.

反应式12Scheme 12

这种异构化可能的机理是通过1,3-氢而不是1,2-氢迁移[43-44],该机理可通过反应式13中同位素标记底物的反应来加以佐证.

反应式13Scheme 13

氧族元素取代的烯基化合物与Negishi试剂反应,可成功地将非共轭的二烯烃异构化为共轭的二烯烃,具有很好的立体选择性,这在有机合成特别是在一些天然产物的全合成中非常有用.有机金属锆试剂的这种反应活性到目前为止对于其他金属还未见报道.

2.4 与乙烯基氨基甲酸酯反应

Negishi试剂可与乙烯基氨基甲酸酯反应[45].Marek课题组发现E型的乙烯基氨基甲酸酯与Negishi试剂反应生成E型的乙烯基锆的化合物,进而构型保持地与碘生成E型乙烯基化合物(反应式14).

反应式14Scheme 14

但Z型的乙烯基氨基甲酸酯与Negishi试剂反应,不仅生成E型的乙烯基锆的化合物,在不同的溶剂中反应还能得到比例不同E,Z构型的乙烯基锆的混合物,但以Z型的乙烯基锆的化合物为主(反应式15).

反应式15Scheme 15

E型的乙烯基氨基甲酸酯由于空间位阻较小,可直接与Zr(II)中心配位形成热力学稳定的trans-13中间体,继而分解生成E型烯基锆化合物14.而Z型的烯基锆位阻较大,形成之后一部分可经五元环状中间体15异构化成E型产物(反应式16).

反应式16Scheme 16

3 总结与展望

综上所述,该文从官能团化炔烃的锆氢化反应及低价锆试剂的氧化加成反应两个方面介绍了氧族元素取代的烯基锆化合物的制备及其合成应用研究.有机锆试剂参与的反应具有优势的区域及立体选择性.由于活泼的碳锆键的存在,可通过亲电试剂的进一步化学转化来合成含多种取代基、构型确定的烯烃骨架,可为一些含有特殊结构、不易直接合成化合物的合成提供有效的方法学.有机锆化学在近三十年中已得到较充分的发展,然而实现反应的多样性、高选择性及高效性仍然是目前具有挑战性的难题,例如同为氧族元素取代的炔基硫醚的锆氢化反应目前仍是未知的.因此,该领域的发展具有重要的理论研究意义及潜在的实际应用价值.

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Progress on the Synthesisand Application of Chalcogen-substitutied Vinyl Zirconocene

ZHENG Fen-fen,ZHENGWei-xin,WU Yang-feng
(College of Material,Chem istry and Chemical Engineering,Hangzhou No rmal University,Hangzhou 310036,China)

This review summarizes the recent advanceon the synthesisand application of the functionalized Alkenyl zirconocene compound in organic synthesis,which is generally produced via the reaction of the chalcogen-substituted alkynes,olefins with the zriconocene species.

zirconocene;chalcogen-substitutied compound;functionalized A lkenyl zirconocene compound

O627

A

1674-232X(2010)03-0223-08

DO I:10.3969/j.issn.1674-232X.2010.03.013

2010-02-25

国家自然科学基金项目(20702010);浙江省自然科学基金项目(Y406341).

郑芬芬(1986—),女,浙江文成人,有机化学专业硕士研究生,主要从事有机合成研究.

＊通讯作者:郑卫新(1975—),女,浙江兰溪人,副教授,博士,主要从事有机合成研究.E-mail:w xzheng@hznu.edu.cn