高碘化合物在有機合成中的研究進展

馮鑫,劉世釗,楊佳琪

(1.新疆科技學院 化工與紡織工程學院,新疆 庫爾勒 841000;2.新疆美克化工股份有限公司,新疆 庫爾勒 841000)

21世紀有機合成化學重大挑戰(zhàn)之一是使用溫和的反應條件的高效和綠色經濟的方式來選擇性合成目標產物。在倡導“綠水青山就是金山銀山”新時代背景下,合成化學中最能引起人們興趣的是選擇環(huán)境友好且高效的催化試劑來發(fā)展分子合成。其中高價碘試劑由于具有類似過渡金屬的反應活性,一直受到廣泛的關注。高碘試劑已經在大量的合成化學中被用作Hg(II),Tl(III)或Pb(IV)等重金屬化合物替代品[1]。在過去的幾十年中,有機高價碘試劑已廣泛使用在各類有機合成催化劑,甚至在天然產物全合成中的關鍵步驟也發(fā)揮著重要的作用[2-3]。通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)高價碘試劑與過渡金屬催化劑相比,其通常可以在相對溫和的反應條件下進行、環(huán)境相對友好、對反應濕度的容忍性好、廉價易得甚至在部分反應中可回收重復使用。以上的這些特性使它成為理想的環(huán)保催化試劑,并已用于各類的有機合成轉化中。

有機高價碘化合物在反應過程中表現(xiàn)比較突出的特點是其氧化性和親電性。其通常可以用作化學當量氧化劑參與到反應中,由于這種良好的反應性能使得高碘化合物成為環(huán)境不友好的重金屬氧化劑中有良好前景的替換物[4]。本文對不同種類的有機高碘化合物及其應用進行了詳細的介紹。并對近年來各種高碘化合物在芳烴的碳氫鍵胺化反應的應用,去芳化反應及其他類型的反應進行分類說明,同時對有機高碘化合物的在綠色合成化學應用發(fā)展進行了展望。

1 一些常用的有機高碘化合物

圖 1中列舉了在日常的有機合成化學中一些具有代表性有機高價碘化合物。

二乙酸碘苯(圖11)和二(三氟乙酸)碘苯(圖12)可當作高效的氧化劑應用在許多有機化合物的轉化中,如醇、烯烴和有機硫化物氧化[5]、重排反應[6]、環(huán)化反應[7]和過渡金屬催化的碳氫鍵官能團化反應[8]等。二氯碘苯(圖13)是一種氯化試劑[9],[基(甲苯磺酰氧基)碘](圖14)俗稱Koser′s試劑,可用用于酮類化合物的α-位氧化反應[10]。二芳基碘鹽(圖15)由于具有良好的親電性能同時是一個優(yōu)良的離去基團,化合物5通常可以作為一個多功能芳基化試劑參與到反應活性較低底物的親核試劑偶聯(lián)中[11]。2-碘苯甲酸(IBA)(圖16)是一個典型的環(huán)狀高價碘(III) 試劑,它是由2-碘苯甲酸在有機合成中不良的反應活性,從而使其氧化而被探索出來的一種高價碘試劑[12]。三氟甲基苯并多索酮(圖17)是由Togni研究小組開發(fā)出的一種三氟甲基化試劑,它通常可將三氟甲基這種非常有用的官能團在有機合成中搭建到有機分子中,從而使其部分有機分子具備相應的生理活性[13]。1-[三異丙基甲硅烷基)乙炔基]-1,2-苯并氧醇-3(1H)(TIPS-EBX)(圖18)是由Zhdankin 及其同事報道的,化合物8可作為一種適用于多種底物的炔烴轉移試劑高效試劑[14]。這些高碘試劑目前都已被廣泛運用到許多有機合成反應當中。

圖1 一些常見的有機高碘化合物

五價高價碘(V)試劑,例如,2-碘代苯甲酸 (IBX)(圖19)、2-碘代苯磺酸(IBS)(圖110)和 Dess-Martin試劑(DMP) (圖111)也經常被用作各類有機反應中的氧化劑[15]。最近,Wirth和他的團隊合成了含有呋喃和噻吩單元的環(huán)狀碘 (III) 試劑(圖112a,b)并在后續(xù)的實驗中證明了該類化合物的氧化性能,并運用在各種化合物的氧化轉化中[16]。與此同時,Zhdankin團隊報道了一種高性能的有機高價碘 (V)化合物,2-碘代苯甲酸雙酯(圖113)的合成,該團隊利用IBX與三氟甲磺酸反應,并證明了其能直接應用在碳氫化合物氧化反應當中[17]。

另外,手性高價碘試劑是另一類被廣泛關注的立體選擇性活性催化劑,它在有機合成中得到了許多令人欣喜的結果。1907年,Pribram在實驗室合成出了第一個手性高價碘試劑[18],隨后更多具有光學活性的高價碘(III)/(V)化合物被合成出來并應用在有機不對稱合成轉化中。例如,Ishihara和他的科研團隊報道了制備乳酸基C2-軸對稱手性碘(III)試劑(圖114a,b)的方法,以及把化合物14a,b應用在對映選擇性的Kita氧化內酯化合成中,該反應條件下底物的耐受范圍更廣,產物ee值更可高達92%[19]。

2 有機高碘化合物在有機合成中的應用

有機高碘化合物除了作為氧化劑,它還能參與很多種反應。如雙鍵加成反應,自由基反應,光化學反應,電化學反應等。結合近年來高碘化合物的研究熱點,以下將主要對高碘化物參與的胺化反應,去芳化反應和高碘化合物參與的其他類型反應進行介紹。

2.1 高碘化合物參與的胺化反應

胺類化合物在我們生活的許多方面都有廣泛的應用。胺類化合物不僅存在于多種具有生物活性的天然產物中,而且在藥物化學中也起著至關重要的作用。通常這類反應需要過渡金屬催化,研究者們發(fā)現(xiàn)不使用金屬催化劑,利用高價碘化合物為反應試劑,也可以使碳氫鍵直接發(fā)生胺化反應。

目前利用高碘化合物使芳烴的碳氫鍵胺化反應是已經發(fā)展較為成熟的有機反應之一。這類反應在用高價碘化合物同時可以實現(xiàn)在溫和的反應條件進行。Antonchick小組報道一個經典的反應方法,它是沒有金屬參與的一類碳氫鍵胺化反應[20]。在使用富電子芳烴與缺電子的氨基衍生物為反應底物時,在高價碘(III)試劑作用下,可以對芳烴的碳氫鍵進行選擇性功能化形成碳氮鍵而快速獲得生物活性化合物的骨架(圖2 Ⅰ)。但是該課題組遺憾發(fā)現(xiàn),在相同反應條件下,缺電的芳烴不能實現(xiàn)碳氫鍵胺化。在后來的研究中,Muniz和同事使用1,2-二碘苯作為預催化劑,使用N-二取代胺類衍生物作為氮源,過乙酸作為氧化劑可以對取代芳烴進行分子間碳氫鍵胺化(圖2 Ⅱ)[21]。 他們發(fā)現(xiàn)即使在物質的量分數(shù)3%～4%的還原催化劑負載下,反應活性也表現(xiàn)得非常好。他們驚喜發(fā)現(xiàn)在此條件下可以實現(xiàn)缺電子芳烴的碳氫鍵胺化。遺憾的是,缺電子芳烴實現(xiàn)胺化反應中收率普遍較其他類型的芳烴偏低。在機理的研究中他們發(fā)現(xiàn)在過氧乙酸的條件下間氧橋聯(lián)雙碘苯(Ⅲ)衍生物的生成。

圖2 高碘化合物參與的胺化反應

2022年,Kita小組設計了一種很巧妙的底物,在高價碘催化下實現(xiàn)芳香環(huán)的分子內氧化C-H胺化[22]。在本實驗中實現(xiàn)了原位生成的高價碘催化劑使用使得分子內碳氫鍵胺化并且催化劑用量可以達到非常低。當使用1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)作為溶劑的時候可以有更高的收率得到目標化合物。催化劑還顯示了非常高的周轉次數(shù),證實了其作為氧化有機催化劑的適用性。證實了其作為氧化型有機催化劑的適用性。超價碘的催化作用被證明對合成帶有各種官能團的苯并內酰胺非常有效。含有各種官能團,可以應用于形成五到八元環(huán)狀化合物(圖2 Ⅲ)。

2.2 高碘化合物參與的去芳化反應

近年來,隨著合成化學的發(fā)展,去芳化反應吸引了很多優(yōu)秀的有機化學家,目前通過去芳化策略合成復雜的天然產物已經被廣泛運用。

2020年,Xiong和同事開發(fā)了一種對映選擇性分子內烷氧基-氧基內酯化反應[23]。使用具有手性C2-對稱碘代芳烴作為預催化劑,使用mCPBA和甲醇對3′-羥基-[1,1′-聯(lián)苯]-2-羧酸衍生物進行去芳構化,進而發(fā)生分子內的反應(圖3 Ⅰ)。該反應以中等到良好收率合成了功能化環(huán)己二酮衍生物,ee值高達52%。在實驗中發(fā)現(xiàn)醇中烷基的大小起著十分重要的作用,隨著碳數(shù)的增加,產物的產率降低,但ee值顯著提高。同時該小組在實驗過程中還發(fā)現(xiàn)選擇性受取代基位置的影響,鄰位和間位取代酚的選擇性非常相似,而對氟取代酚的ee值顯著提高,他們認為這是由于羧酸鹽的親核特性增加所致。這個實現(xiàn)去芳構化同時發(fā)生羥內酯化在之前的研究中鮮有報道。

圖3 高碘化合物參與的去芳化反應

高價碘試劑同樣可以用于芳香胺的去芳構化反應。2021年,Shimazaki發(fā)現(xiàn)了一個使多取代苯胺在手性茚滿醇作為預催化劑在水存在的條件下實現(xiàn)了水作為親核試劑對芳胺進行去芳構化得到了對羥基苯甲酸亞胺類衍生物(圖3 Ⅱ),該反應以一般到良好的收率得到了目標產物,但是ee值可高達95%[24]。該小組發(fā)現(xiàn)該反應具有良好的底物適用范圍,例如氯、溴、甲基、苯基、甲硅烷基和酰胺基團均可使用。此外,在苯環(huán)的對位被乙基、甲基、乙酰氧基和甲氧基羰基官能團取代的2-溴代苯胺去芳構化反應在該條件下也可以順利進行。

2.3 高碘化合物參與的其他反應

伴隨合成化學的蓬勃發(fā)展,使用高價碘化合物作為催化劑可以實現(xiàn)許多不同類型的轉化,限于篇幅難以進行詳盡介紹,僅選擇具有代表性的幾類應用進行簡要介紹。Yakura等人開發(fā)了一種在溫和、高效和友好的催化條件下,氧化裂解四氫呋喃-2-甲醇形成γ-內酯的反應[25]。在該反應中使用了2-碘-N-異丙基苯甲酰胺作為預催化劑,(2KHSO5·KHSO4·K2SO4)作為共氧化劑,在DMF做溶劑的條件下以中等至良好的收率獲得γ-內酯的方法。這種方法區(qū)別于其他常見獲得γ-內酯的方法是由于他沒有使用金屬催化劑。Hu和他的同事開發(fā)了一種使用高碘試劑(Ⅲ)催化芳香族重氮鹽發(fā)生巴爾茨-希曼氟化的反應(圖4 Ⅰ)[26]。他們發(fā)現(xiàn)在十分溫和的反應條件下三價碘化合物能有效降低該反應的能量活化勢壘,并且有很廣泛的底物適用范圍和官能團容忍性能。他們實現(xiàn)了高價碘(Ⅲ)和三氟化硼乙醚作用下,以優(yōu)良的產率制備各種芳香族氟化物,目前該反應的機理仍然在研究當中。Zheng等發(fā)現(xiàn)了在沒有其他酸做助催化劑和當量的氧化劑條件下,雙三氟乙酰碘苯(PIFA)可以催化炔丙醇接受C-,O-,S-,N-親核試劑的取代反應,可以以中等至優(yōu)異的收率提供炔丙基芳烴/醚/硫化物/酰胺并證明了高價碘(Ⅲ)在炔丙醇類化合物和炔丙基三甲基硅烷和富電子芳烴偶聯(lián)反應中具有高效的反應活性[27](圖4 Ⅱ)。這也是首次證明有機高價碘化合物可以作為類似路易斯酸的功能催化劑。

圖4 高碘化合物參與的去芳化反應

3 結論和展望

對近年來使用高碘化合物作為催化劑在有機合成中的新應用進行了介紹。可以看到,高價碘催化劑已被廣泛用于制備各種合成中間體,如胺類、羰基化合物、醇類、縮醛類和有機氟衍生物等。其中一些催化方法已成熟用于構建具有生物活性的雜環(huán)和螺環(huán)結構骨架。此外,手性的高碘化合物也已被具有高立體選擇性的不對稱合成中。在各國學者的前期研究中,我們看到很多高碘化合物用作催化劑是可以通過使用化學計量氧化劑如和mCPBA與碘芳烴氧化原位產生的,甚至在一些催化反應中,催化劑被多次重復使用還能保持催化潛力。在當下對綠色化學越來越關注的新時期,環(huán)境友好的高價碘化合物由于易得性以及易于處理的特性,作為合成有機化學中重金屬的綠色和環(huán)境可持續(xù)替代品,需求量逐年攀升。同時,我們看到有機化學工作者發(fā)現(xiàn)高碘化合物具有能產生自由基的獨特性能,可以將其用于光化學反應領域來發(fā)展高碘化合物在合成的應用,因此高碘化合物仍然可以有許多性能有待研究者去發(fā)現(xiàn)應用。