炔烴參與的過渡金屬催化的C-H活化/雜環化研究

馮思敏

（陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西西安710075）

雜環是各種天然產物、材料和藥物分子的關鍵結構，因此建立高效的制備方法成為國內外有機化學工作者研究的重要課題。通過過渡金屬催化將C-H直接官能化，為直接構建C-E鍵（E為C、N、S或O）提供了一種環境友好且經濟的步驟，已成為綠色、可持續化學領域不可或缺的驅動力。直接將C-H鍵功能化徹底改變了傳統復雜、耗時的合成思路。從易于合成的起始原料開始，采用過渡金屬催化直接實現C-H鍵官能化反應的開發為實現雜環序列提供了新的途徑。

多種有機π組件，例如炔烴、烯烴和丙二烯已逐漸參與到C-H鍵活化構建雜環的反應中。因此，炔烴作為重要的有機π組分，越來越受到有機工作者的的關注。基于此，總結了炔烴作為有機π組件通過C-H活化反應構建稠合雜環的研究進展。以下分別概述了在Rh、Ru、Pd、Co催化的條件下，炔烴參與的C-H活化/環化反應。

1 Rh催化

Rh（Ⅲ）催化下C-H鍵活化，隨之與炔烴發生的環化反應經常被用作構建各種雜環的有力工具。如圖1所示，Guimond等[1]在Rh（Ⅲ）催化下，通過苯氧肟酸與炔烴發生環合反應生成異喹諾酮衍生物。該反應在溫和的條件下運行，對空氣或濕氣不敏感，且不需要外部氧化劑，而是N-O鍵直接氧化促使C-N鍵的建立，以及催化劑的重新生成。這種反應可以在其他雜環的形成和功能化中找到更廣泛的用途。

圖1 Rh（Ⅲ）催化下C-H活化反應合成異喹諾酮

Rh（Ⅲ）催化反應廣泛使用苯甲酰胺、乙酰胺、亞胺、酮和羧酸等羰基衍生物作為導向基團，這說明了這種反應性概念的實用性。但據我們所知，芳基磺酰胺尚沒有被Rh催化劑研究。如圖2所示，Pham等[2]在2012年證明了酰化磺酰胺是Rh（Ⅲ）催化的C-H鍵活化的合適導向基團，環金屬化的中間體很容易與各種內部炔烴反應，并迅速而廣泛地獲得苯丙磺內酰胺。

圖2 Rh（Ⅲ）催化的C-H活化反應合成苯并磺內酰胺

就生物堿、肽和蛋白質而言，吲哚是一類重要的芳香族雜環。如圖3所示，有研究開發出通過使用無痕亞硝基導向基團進行氧化還原的C-H活化和環化反應[3]。該方法具有操作簡單、無外部氧化劑或添加劑、底物范圍廣、反應條件穩定的特點。對于不對稱結構的內部乙炔，具有良好甚至優異的區域選擇性。N-亞硝基官能團既用作C-H活化的導向基團，又用作催化劑轉換的內部氧化劑。

圖3 Rh催化的C-H活化反應合成吲哚

如圖4所示，有研究開發了一種Rh（Ⅲ）催化的吡啶-2（1H）-1衍生物與炔烴的氧化環化反應，可通過雙C-H鍵活化反應構建4H-喹啉嗪-4-酮和4H-苯并喹啉-4-酮[4]。該反應具有原料容易獲得、操作簡單、底物范圍相對較寬和官能團耐受性良好等特征。

圖4 Rh（Ⅲ）催化的雙C-H鍵活化反應

2 Ru催化

如圖5所示，Krieger等[5]揭示了一種釕催化的w-炔基苯氧肟酸酯環化反應的新合成思路，為合成多樣化新型大環異喹諾酮提供了新的途徑。實驗中緩慢加入添加劑和外部氧化劑，與多種底物相溶，成功制備具有12～20環的21種大環異喹諾酮。

圖5 釕催化的C-H活化反應合成大環異喹諾酮

如圖6所示，Ackermann等[6]首次報道了通過1-鹵代炔烴的C-H/N-O環化反應實現4-取代異喹諾酮的構建。因此，通用的雙羧酸釕（Ⅱ）能夠在反應溫度為25 ℃的條件下，用炔基溴化物進行C-H活化，具有足夠的范圍和較高的官能團耐受性。

圖6 常溫下釕催化的C-H活化反應

3 Co催化

如圖7所示，NaClO3首次被證明是催化C-H活化反應中的一種高效通用氧化劑。Ran等[7]開發了一種Co催化的芳基磺酰胺與末端炔烴/內部炔烴的環化反應，用以合成磺內酰胺。大量的磺酰胺和炔烴可以轉化為具有高區域選擇性的所需產物，具有良好的產率。

圖7 Co催化的C-H活化反應合成苯并磺內酰胺

如圖8所示，Planas等[8]研究了一種新的共催化方案，該方案從易于制備的芳基磺酰胺和炔烴開始，合成了苯并磺內酰胺序列。與Rh催化相比，該方案采用廣泛取代的芳基磺酰胺和炔烴，顯示出優異的區域選擇性。因其良好的反應性和選擇性，使得Co催化有望取代元素周期表中第二排昂貴的過渡金屬催化構建雜環。

圖8 Co催化的C-H活化反應合成苯并磺內酰胺

如圖9所示，Kuai等[9]開發了一種將吡啶甲酰胺用作無痕導向基團的Co催化芐基酰胺與炔烴的環合反應，以合成異喹啉。該方案具有廣泛的底物范圍，內部芳基、脂肪族炔烴及末端炔烴均可以有效地用于該反應，對官能團表現出良好的耐受性和極好的區域選擇性。在該反應中，氧氣被用作唯一的氧化劑。

圖9 Co催化的C-H活化反應合成異喹啉

如圖10所示，Xu等[10]開發出Cp聯合Co（Ⅲ）催化的N-甲氧基酰胺和炔二酮的C-H官能化串聯反應，用于在氧化還原條件下，反向區域選擇性的炔烴插入合成吲哚并咪唑支架。該反應顯示出優異的官能團耐受性，有利于后期官能化。

圖10 Co催化的C-H活化反應合成吲哚并咪唑支架

4 鈀催化

吡咯環是一種核心結構，存在于多種天然產物、有機材料和藥物中，也是重要的工業合成單元。如圖11所示，Loh[11]已經開發了鈀催化的酰胺和內部炔烴環化反應，以良好的收率制備了多取代的吡咯。該反應中底物耐受性較好、反應條件相當溫和，僅使用氧分子作為氧化劑用以實現鈀催化劑的循環。

圖11 Pd催化的C-H活化反應合成吡咯

如圖12所示，Shu等[12]開發了一種有效的多相、可循環利用催化體系，用于在溫和條件下通過C-H活化用苯甲酰胺和炔烴直接合成異喹諾酮。該反應具有廣泛的底物適用性、良好的產率以及優異的區域選擇性。研究中Pd/C催化劑循環使用了3次，但活性沒有明顯降低。

圖12 Pd/C催化的C-H活化反應合成異喹諾酮

如圖13所示，Wan等[13]利用鈀催化，將炔烴和二溴苯基吡咯直接通過C-H環化反應來構建各種π共軛結構。該方法與各種供電子基團和吸電子基團如烷氧基、氯、酯和腈兼容，可以應用于進一步的合成轉化中。在模擬的AM1.5G照射下，獲得功率轉換效率（PCE）為6.1%，足以表明該方法有望應用于有機光電材料的迅速組裝。

圖13 Pd催化的C-H活化反應合成多環芳烴

5 結語

目前，碳氫鍵活化構建雜環的合成研究是有機化學領域的一大熱點，雜環對生命科學及有機光電材料等方面的重要性質，激勵著人們不斷探討構建更原子經濟的新方法去合成雜環。其中，炔烴作為有機π組件，以過渡金屬催化碳氫鍵活化反應為制備雜環化合物提供了一個更廣闊的前景。