二取代環(huán)氧化物選擇性異構(gòu)化為酮

1、翻譯文獻(xiàn)：Regioselective Isomerization of 2,3-Disubstituted Epoxides to Ketones: An Alternative to the Wacker Oxidation of Internal AlkenesJessica R. Lamb, Michael Mulzer, Anne M. LaPointe, and Geoffrey W. Coates*2,3-二取代環(huán)氧化物選擇性異構(gòu)化為酮：一種代替非端烯Wacker氧化的途徑摘要：我們研究發(fā)現(xiàn)一種有可替代非端烯Wacker氧化的途徑。對(duì)反式烯烴環(huán)氧化后，再在溫和的條件下高選擇性地異

2、構(gòu)化得到6698%的給定的主產(chǎn)物酮。通過(guò)初步的動(dòng)力學(xué)和同位素標(biāo)記法的研究，表明環(huán)氧鍵開(kāi)環(huán)翻轉(zhuǎn)為我們所提機(jī)制的控速步驟。采用類(lèi)似的催化體系對(duì)反式環(huán)氧化物進(jìn)行動(dòng)力學(xué)拆分，給出一些對(duì)合成有用的Krel=1723的芐基取代基的選擇性因素。引言：Wacker氧化是一種在Pd催化下將末端烯烴經(jīng)兩步氧化成甲基酮的重要的、行之有效的方法(如圖1a所示)。實(shí)驗(yàn)證明在這種轉(zhuǎn)化中，官能團(tuán)能對(duì)各種氧化劑保持穩(wěn)定性和有效性，這對(duì)合成化學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有用的手段。而且甲基酮是主要的產(chǎn)物，大量的記錄表明，連在烯丙基上的雜原子或吸電子基團(tuán)是改變區(qū)域選擇性的關(guān)鍵，像乙醛是主要的產(chǎn)物。2,3-二取代烯烴的Wacker氧化一直發(fā)

3、展緩慢，主要是因?yàn)槠浠钚缘秃瓦x擇性差。在上世紀(jì)80年代，Tsuji等人系統(tǒng)地研究了鏈內(nèi)的Wacker氧化，并用羰基、醚和酯作為導(dǎo)向基團(tuán)來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性，但收率有限。緊接著，有些研究者發(fā)現(xiàn)乙醛作為末端烯烴的選擇性產(chǎn)物的情況能夠適用于含有類(lèi)似的定位基鏈內(nèi)烯烴實(shí)現(xiàn)選擇性氧化。最近，通過(guò)開(kāi)發(fā)可靠地氧化高活性的內(nèi)烯烴的體統(tǒng)，Grubbs, Sigman，Kaneda再度研究?jī)?nèi)烯烴的Wacker氧化(如圖1a所示)。發(fā)現(xiàn)的所有強(qiáng)的定位作用，都是氧化發(fā)在遠(yuǎn)端的碳得到的。如果導(dǎo)向基團(tuán)移到更遠(yuǎn)離烯丙基的位置時(shí)，選擇性就會(huì)急劇下降。當(dāng)沒(méi)有電子的偏向，空間差異不足以實(shí)現(xiàn)高水平的選擇性，如反-2-辛烯就表明了導(dǎo)致3-辛酮

4、（2a）和2-辛酮（3a）從1:1的比例到1:2.5的比例原因(如圖1b所示)。這并不理想，不僅因?yàn)檫m度的選擇性降低了所需的區(qū)域異構(gòu)體的最大產(chǎn)量，還因?yàn)樵谶@些反應(yīng)中主要產(chǎn)物是甲基酮，而甲基酮能更有效地從終端烯烴獲得。凈烯烴先硼氫化再氧化是另一種氧化的途徑。硼氫化反應(yīng)進(jìn)行是通過(guò)可協(xié)調(diào)的順式加氫和硼在烯烴的對(duì)面反馬氏加成。然后有機(jī)硼烷被氧化成醇或直接到相應(yīng)的羰基化合物。只有少數(shù)對(duì)2-3二取代烯烴不對(duì)稱(chēng)選擇性硼氫化氧化的方法得到了發(fā)展，其中大部分方法是采取底物控制。最常見(jiàn)的是，使用胺或酰胺作導(dǎo)向基團(tuán)，但是這限制了該方法的適用性和底物范圍。大體積硼試劑已表現(xiàn)出可以改善對(duì)特定的底物的選擇性，但沒(méi)有得到廣

5、泛的研究和應(yīng)用。與此相反，一般的烯烴的硼氫化/氧化通常沒(méi)有區(qū)域選擇性或幾乎沒(méi)有通過(guò)烯烴異構(gòu)化的有機(jī)硼烷末端官能化的產(chǎn)量。vedejs和 Curran已經(jīng)提高了非極性底物選擇性，但硼烷遷移導(dǎo)致副產(chǎn)物的產(chǎn)量隨時(shí)間變化。圖 1另一個(gè)兩步替代Wacker氧化是一個(gè)環(huán)氧化/異構(gòu)化途徑。原子經(jīng)濟(jì)的環(huán)氧化物重排為羰基化合物是符合原子經(jīng)濟(jì)的，已研究對(duì)底物使用各種催化劑，如加入路易斯酸或親核試劑輔助選擇性開(kāi)環(huán).kulawiec和Che在芳基取代的內(nèi)烯烴和共軛的末端烯烴的選擇性氧化提出了環(huán)氧化/異構(gòu)化替代的Wacker氧化的方法。這種方法并不適用于極性較小的內(nèi)烯烴。而烯烴環(huán)氧化是一種行之有效的反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程只需要

6、極性環(huán)氧化物的選擇性異構(gòu)化的發(fā)展。在觀察的基礎(chǔ)上，酮是環(huán)氧化物在低的一氧化碳?xì)夥障卖驶蟮母碑a(chǎn)物。我們最近報(bào)道了一個(gè)以前開(kāi)發(fā)的使用羰基化催化劑對(duì)末端環(huán)氧化合物經(jīng)異構(gòu)化為甲基酮的方法。使用這種方法，我們推測(cè)催化劑4（催化反式環(huán)氧化物選擇性羰基化為-內(nèi)酯）同樣會(huì)選擇性異構(gòu)化為酮。我們?cè)诖藞?bào)告一個(gè)在溫和的條件下極性較小的反式環(huán)氧化物選擇性重排為酮。結(jié)果與討論：表 1優(yōu)化和底物范圍用反-2-環(huán)氧辛烯（1a）和4（表1）來(lái)進(jìn)行反應(yīng)條件的優(yōu)化。該化合物試著作為該反應(yīng)的催化劑，但發(fā)現(xiàn)它對(duì)酮2a和酮3a沒(méi)有選擇性。通過(guò)對(duì)溶劑的篩選溶劑，乙醚表現(xiàn)出對(duì)乙基酮（2a）較好的活性和選擇性，并且由環(huán)氧化物的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)

7、物的收率可以表明用乙醚作溶劑具有更少的副反應(yīng)（序號(hào)15）。極性較強(qiáng)的使得轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率較低，這大概是由于極性溶劑與和環(huán)氧化物競(jìng)爭(zhēng)金屬活性中心的緣故。目前尚不清楚乙醚與非極性更強(qiáng)的溶劑之間選擇性的高低。環(huán)氧化物濃度從0.5到1.5 mol，選擇性沒(méi)有什么變化，濃度越稀反應(yīng)進(jìn)行更完全（序號(hào)57）。令人驚訝的是，在濃度進(jìn)一步下降，同時(shí)催化劑裝填2 mol%將進(jìn)一步減少不需要的副反應(yīng)（序號(hào)810）。任何試圖進(jìn)一步降低催化劑的負(fù)載都會(huì)導(dǎo)致更低的轉(zhuǎn)化率（序號(hào)11和12）。我們猜測(cè)催化劑催化斷鏈?zhǔn)请p分子反應(yīng)途徑，因?yàn)榈蜐舛鹊姆磻?yīng)物會(huì)有高的轉(zhuǎn)化率。雖然由于較低的催化劑濃度，反應(yīng)在稀的條件下應(yīng)該是更慢的，在這種影

8、響下4會(huì)有更長(zhǎng)的壽命。肉眼觀察到反應(yīng)催化分解，因?yàn)槿芤簭某壬缴钭厣?，并隨著時(shí)間變得渾濁。確定了最佳的反應(yīng)條件，我們研究了反應(yīng)的一些范圍。首先，對(duì)稱(chēng)反式環(huán)氧化物進(jìn)行異構(gòu)化表現(xiàn)出高效率和高活性，而且產(chǎn)物的收率非常高（表2）。由于由于產(chǎn)物的揮發(fā)，氣相色譜以十二烷為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行定量小于8個(gè)碳原子的產(chǎn)率。表 2其次，研究不對(duì)稱(chēng)、非極性連有一個(gè)甲基和一個(gè)直鏈烷基的環(huán)氧化物，發(fā)現(xiàn)它對(duì)乙基酮（2）和甲基酮（3）有很好的選擇性（表3，序號(hào)15）。這些區(qū)域選擇性與那些使用催化劑4的羰基化密切對(duì)應(yīng)。不僅在Wacker氧化上與Grubbs和Kaneda發(fā)現(xiàn)的選擇性相反，而且與端烯相比能獲得不同的主要產(chǎn)物。在優(yōu)化條件下，

9、底物（1a）取得2a和3a的混合物的收率為99%（表1，序號(hào)10），產(chǎn)物是通過(guò)柱層析法分離的，主要的異構(gòu)化產(chǎn)物2a的分離收率為78% （表3，序號(hào)4）。當(dāng)兩個(gè)烷基取代基都不是是甲基（R=Et,R=nBu, 1i,序號(hào) 6）時(shí)，選擇性大幅下降至3.1:1偏向于生成丙基酮（2i21）。雖然不理想，這選擇性仍高于非極性物質(zhì)的Wacker氧化的選擇性。我們期待R取代基的體積增大依然會(huì)有較高的選擇性，但奇怪的是，1J（R1 = iPr, 序號(hào) 7）的選擇性與芐基（1f, 序號(hào)2）的的選擇性相比是比較低的。此外，該底物需要3mol% 的4才能實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)化。表 3擴(kuò)大研究一些極性物質(zhì)的反應(yīng)范圍。受TBS（叔丁

10、基二甲基甲硅烷基）保護(hù)的醇能得到較高乙基酮（2k）和乙基酮（2l）的產(chǎn)率（序號(hào)8和9），雖然要求較高的催化劑負(fù)載量。如果相似的烯烴采用選擇性Wacker氧化，由硅醚基引起的電子偏移將主要異構(gòu)化生成產(chǎn)物3（氧化遠(yuǎn)端碳），再次顯示環(huán)氧化/異構(gòu)化方法的互補(bǔ)性。而且，不像Kaneda發(fā)現(xiàn)的選擇性會(huì)隨給電子基團(tuán)遠(yuǎn)離雙鍵而急劇下降，底物1L任然有較高的選擇性，其中三丁基硅氧基環(huán)氧鍵有三個(gè)碳的距離。芐基取代的環(huán)氧化物（1m和1n）具有非常高的選擇性，核磁共振氫譜只檢測(cè)到產(chǎn)物2的生成（序號(hào)10和11）。芳基取代基（如跨苯基-甲基苯乙烯氧化物）促使以SN2的方式進(jìn)攻芐基所在的位置，并且使得選擇性完成逆轉(zhuǎn)。主要產(chǎn)

11、物3o分離收率較高、沒(méi)有發(fā)現(xiàn)次要產(chǎn)物2o。在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件，順式環(huán)氧化合物如順-2 -己烯的氧化存在較低的轉(zhuǎn)化率（40%）和相對(duì)較低的選擇性（2.4:1）。反應(yīng)機(jī)理研究圖 2在Eisenmann 和Kagan關(guān)于Co(MeOH)6Co(CO)42研究的基礎(chǔ)上，再根據(jù)我們先前對(duì)末端環(huán)氧化物異構(gòu)化機(jī)制的觀察，我們提出了親核的機(jī)制，圖2所示。在環(huán)氧化物上的氧原子與Lewis酸配位后，Co(CO)4以SN2機(jī)制選擇性使環(huán)氧化物開(kāi)環(huán)并形成相應(yīng)的醇鹽配合物。氫消去形成烯醇，質(zhì)子化作用使得催化劑的活性再生，并對(duì)產(chǎn)生的烯醇經(jīng)異構(gòu)化的主要生成酮。由于以前觀察到的，我們證實(shí)這種轉(zhuǎn)化是Lewis酸、親核陰離子的再所必

12、要的，排除Meinwald提出的以碳正離子介導(dǎo)的僅以Lewis酸活化的機(jī)制。圖 3初步對(duì)反-2-環(huán)氧辛烯的動(dòng)力學(xué)研究表明，反應(yīng)在催化過(guò)程是一級(jí)反應(yīng)和在底物里是零級(jí)反應(yīng)。這就排除了陽(yáng)離子與環(huán)氧結(jié)合是控速步驟，剩下其他三種可能：（1）環(huán)氧鍵開(kāi)環(huán)，（2）-H消除，（3）烯醇的質(zhì)子化。因?yàn)闊o(wú)論是-H消除還是質(zhì)子化步驟都有質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，如果這兩者之一是控速步驟，就會(huì)有一級(jí)動(dòng)力學(xué)氘同位素效應(yīng)。經(jīng)氘化反-2-環(huán)氧辛烯在氧化合成上與原來(lái)具有相同的化學(xué)性質(zhì)。我們沒(méi)有觀察到一級(jí)動(dòng)力學(xué)氘同位素效應(yīng)（圖3），因此，這兩步驟不可能是控速步驟。此外，氘化產(chǎn)物進(jìn)行分離，顯示兩個(gè)氘位。這間接說(shuō)明利用這個(gè)反應(yīng)作為一種選擇性氘化的

13、方法，這些產(chǎn)物將很難利用電流氘化的辦法。這些數(shù)據(jù)最能符合的環(huán)氧化物以SN2開(kāi)環(huán)為控速步驟的機(jī)制。這將要求催化劑在于環(huán)氧結(jié)合后再保持靜態(tài)，可以用乙醚較差的結(jié)合能力來(lái)推動(dòng)。這些結(jié)果也與使用相同的催化劑相似的環(huán)氧化物異構(gòu)化并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的羰基的過(guò)程相一致。2,3-二取代環(huán)氧化物與末端環(huán)氧化物相比，羰基化需要更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，可以合理的解析為在亞甲基位置進(jìn)行雙分子取代要比在甲基的位置進(jìn)行雙分子取代慢，并且相似的區(qū)域選擇性產(chǎn)生選擇性的控速步驟也速率也更慢。 最后，在反應(yīng)開(kāi)始時(shí)加入與環(huán)氧化物相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物2-丁酮對(duì)反應(yīng)的速率并沒(méi)有明顯的影響，這就表明產(chǎn)物的濃度不會(huì)抑制反應(yīng)速率。反式環(huán)氧化合物動(dòng)力學(xué)拆分：這種方法

14、適用于反式環(huán)氧化物的動(dòng)力學(xué)拆分。而Jacobsen 和其他一些人已經(jīng)對(duì)末端環(huán)氧化合物的動(dòng)力學(xué)拆分進(jìn)行了廣泛的研究以及應(yīng)用，鏈內(nèi)環(huán)氧化合物的動(dòng)力學(xué)拆分仍處于起步階段。鉻的Salen配合物出現(xiàn)在鏈內(nèi)反式環(huán)氧化物動(dòng)力學(xué)拆分催化開(kāi)環(huán)的過(guò)程中，但底物濃度仍然會(huì)對(duì)限于反式丁烯和芳基環(huán)氧化合物的反應(yīng)速率有影響。只有很少的文獻(xiàn)中提到了非芳基2-3二取代環(huán)氧化合物拆分的例子，可見(jiàn)對(duì)2-3二取代環(huán)氧化合物拆分的研究還是很有挑戰(zhàn)的。我們以前曾嘗試用鋁Salen鈷催化動(dòng)力學(xué)拆分環(huán)氧化物，結(jié)果只有較低的選擇性。圖 4我們推測(cè)高選擇性是需要一些高選擇性的因素的，因此，我們一開(kāi)始選擇集中研究環(huán)氧化物（1m）。進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)

15、條件顯示，一種催化劑4的變體在四氫呋喃中顯示出了較高的選擇性。反應(yīng)在四氫呋喃中要慢得多，這有助于反應(yīng)在所需的水平停止轉(zhuǎn)換，并有希望提高反應(yīng)的選擇性。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中環(huán)氧化物（1m）的濃度手性色譜分析監(jiān)測(cè)并以十二烷作為內(nèi)標(biāo)。用設(shè)備1對(duì)所有的選擇性因素進(jìn)行了計(jì)算，至少取四個(gè)點(diǎn)。環(huán)氧化物（1m）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合一級(jí)krel 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程（圖4）。在這個(gè)結(jié)果的鼓舞下，我們研究了芐基芳環(huán)上的不同取代基的對(duì)反應(yīng)的選擇性有怎樣的影響，但發(fā)現(xiàn)它幾乎沒(méi)有影響（表4）。通過(guò)在苯環(huán)上接入甲基或甲氧基取代基對(duì)引入的取代基的空間位置及其電子效應(yīng)對(duì)反應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，但在每一種情況下的選擇性系數(shù)約為20（2序號(hào)5）。異構(gòu)化動(dòng)力學(xué)拆分的一個(gè)特點(diǎn)決定轉(zhuǎn)化的因素是時(shí)間，而不是化學(xué)計(jì)量。我們的研究表明，類(lèi)似鋁配合物的Lewis酸可用于環(huán)氧化合物開(kāi)環(huán)的親核試劑，進(jìn)而區(qū)域選擇性進(jìn)行羰基化?？梢詮谋?的結(jié)果中看到高選擇性，在未來(lái)提供一個(gè)親核開(kāi)環(huán)動(dòng)力學(xué)拆分鏈內(nèi)環(huán)氧化物的發(fā)展機(jī)會(huì)。結(jié)論我們開(kāi)發(fā)出一種溫和、高選擇性地將反式環(huán)氧化物異構(gòu)化為酮的方法，并使用路易斯酸 + Co(CO)4為催化劑，使得人們對(duì)選擇性羰基化的研究得到了發(fā)展。在有機(jī)合成中，目前Wacker氧化面臨著親電定位基選擇性低的困難，而反式烯烴的環(huán)氧化/異構(gòu)化這種轉(zhuǎn)化可以作為替代的Wacker氧化的一種很有用的途徑。此外，它可以用選擇性氘化