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纳米技术 纳米人 2024-07-31

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第一作者:Taichi Koike
通讯作者:Max M. Hansmann
通讯作者单位:多特蒙德工业大学
                    
在单原子级别精确修饰分子的位点是化学领域最重要和困难的课题,比如设计能够引入单个碳原子的试剂是个非常大的挑战。

有鉴于此,多特蒙德工业大学Max M. Hansmann等合成了一种晶体可分离的重氮磷叶立德试剂(Ph3PCN2),这是一种稳定存在的化合物,其中的碳原子与两个可离去基团(PPh3和N2)相连。这个试剂不必使用添加剂进行打破分子,形成含磷叶立德的杂原子累积烯烃(heterocumulene),CN2,或者生成多官能团修饰的吡唑化合物。此外,该反应物能够独特的碳原子转移反应。当与醛或者非环状/环状有机酮反应时,能够生成R2C=C:并生成炔烃或者丁三烯。
                        
合成重氮磷叶立德化合物
          
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图1. 各种碳原子试剂的总结
          
六苯基碳二磷烷2a(Hexaphenylcarbodiphosphorane,Ph3P=C=PPh3)是1961年报道发现的,这个分子能够与CE2(E=O, S)反应生成累积烯烃化合物(Ph3P=C=C=E)(E=O, S)。1965年,Kundel和Kästner发现磷叶立德能够与N2O反应生成产率较低的重氮甲烷(N2=CH2),并且释放三苯基氧化膦(TPPO)。 
   
作者基于这些研究提出通过碳二磷烷和N2O直接生成目标产物的路径。发现Ph3P=C=PPh32a)在室温与N2O的反应非常慢,但是在60 ℃能够产生两个NMR峰(δ=7.6和24.7 ppm),两个峰的强度比为1:1,Ph3PO能够与24.7 ppm的峰对应。

通过IR表征发现有机磷叶立德1的峰(1989 cm-1),但是如何分离Ph3PO非常困难。进一步发现当使用结构不对称的碳二磷烷2b(Ph3P=C=PnBu3)是分离得到磷叶立德1的关键。从市售PPh3出发通过三步能够生成含有PPh3和PnBu3结构的2b化合物。2b暴露在N2O气氛中反应能够发生N2/PnBu3交换反应,生成重氮磷叶立德化合物1。当使用PnBu3作为离去基团(Ph3P=C=PnBu3),反应在比较温和的条件能够与N2O发生[3+2]环加成反应。

理论计算研究说明通过(3+2)环加成反应和逆(3+2)环加成反应过程能够发生N2/PnBu3交换反应。碳原子的电子云密度更高能够降低对N2O亲核进攻的能垒,与理论计算的结果相符。

单晶XRD表征说明1号分子含有弯折的杂原子累积烯烃结构。13C{1H} NMR表征1号化合物发现在7.7 ppm具有双峰,而且与31P之间发生耦合作用。令人意外的是,TGA和DSC测试发现1号化合物具有非常高的热稳定性。在189.2 ℃发现7.3 %的质量损失,对应于分子被打破并且生成N21号分子在惰性气氛表现优异的稳定性,而且在100 ℃溶液(0.5 M THF溶液)加热都能稳定存在。    
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图2. 重氮有机磷叶立德的合成,结构表征,性质
                    
Ph3PC和CN2转移反应

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图3. 重氮有机磷叶立德的官能团转移

1号化合物的官能团转移反应。选择性置换N2能够将磷叶立德与CO直接偶联生成异氰化物(isocyanides),从而生成杂原子累积烯烃化合物。将1的THF溶液暴露在室温CO气氛能够生成磷烷烯酮5化合物,反应的选择性达到79 %。1与二甲苯基异氰酸酯(xylyl isocyanide)在60 ℃反应能够生成磷烷烯酮亚胺(phosphorane ketenimine)6,产率67 %。而且当使用Bestmann’s烯酮(5)与二甲苯基异氰酸酯反应能够完全回收起始原料化合物,说明该反应中N2官能团的过程是交换反应。而且该反应能够将Ph3PC转移到稳定的卡宾分子,生成磷叶立德端基的弯折杂原子联烯化合物(7, 产率达到94 %)。    

由于生成的产物分子含有P叶立德结构,因此能够进一步发生反应,生成联烯化合物。因此,通过PPh3/N2交换和N2/卡宾交换反应能够将碳二磷烷分子的磷使用卡宾替代。

选择性CN2转移能够对缺电子烯烃进行化学选择性转移反应。将1与查耳酮之间进行(3+2)环加成反应,能够生成亚膦酰基吡唑中间体X,随后分别通过质子转移、亲电官能团修饰,NaH碱消除PPh3,能够以高达92 %的产率生成高度修饰取代基的吡唑化合物9a。该反应兼容α,β不饱和烯烃,比如修饰取代基的查尔酮(9ab9ac)。在β-硝基苯乙烯的反应,通过消除硝基从而能够合成骨架不含吸电子官能团的吡唑化合物(9c)。这个反应展示了1号化合物能够作为提供CN2的反应物与不饱和碳碳化学键反应,生成官能团化N杂环化合物。这种试剂能够避免使用通常产生碳阳离子(VI)通常需要的质子性溶剂,因此该反应能够通过多组分反应合成多功能的吡唑化合物。
          
碳原子转移反应
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图4. 重氮有机磷叶立德的碳原子转移

与通常B.O.试剂与NaOMe反应产生VI阳离子中间体不同,1具有非常高的热稳定性,而且使用过程中不必加入碱性添加剂。而且化合物1在Et2O、THF、甲苯、苯、CH3CN溶剂中稳定, B.O.试剂在质子性溶剂中难以使用。作者认为1号化合物能够表现与B.O.兼容性区别的反应活性,包括较宽的官能团兼容以及兼容更多反应物类型。    

与醛反应选择性得到炔烃。理论计算结果支持该反应通过Wittig反应机理,生成瞬态重氮烯烃化合物中间体,随后消除N2和1,2-H原子转移。13C同位素标记实验很好的验证反应是1,2-H原子转移机理,而不是1,2-芳基转移。具有不同电子结构的芳基醛化合物(12aa, 12b),修饰官能团的芳基醛(-Br, -OMe, -CN, -NO2, -CF312ab~12ah),具有立体环境的芳基醛(Mes, 12ai)都能够以优异的产率生成炔烃化合物,反应对α,β不饱和肉桂醛(12c)兼容。该反应对于B.O.试剂无法实现,因为产物在MeOH溶剂中发生分解,需要优化试剂和添加剂才能保证选择性转化反应。

含有不同官能团和立体结构环境(12d~12f)的烷基醛,非环状芳基酮(12ha12hb)在该反应中能够生成对应的炔烃化合物。4-乙酰苯甲醛以及1,5-二苯基戊烷-1,5-二酮能够以非常高的产率生成对应的双炔烃化合物(12i12j)。α-酮醛苯乙二醛能够以CN2转移方式生成亚膦酰基吡唑(14g)。通过C转移反应和(3+2)环加成反应通过一锅反应实现了从α-酮基醛反应物直接合成含有密集官能团的吡唑化合物。

当使用二烷基酮或者环状有机酮作为反应物,能够阻碍取代基发生1,2-转移,从而提高丁三烯产物的选择性。比如,当使用丙酮作为反应物,反应过程只生成四甲基丁三烯(13k),没有生成2-丁炔副反应产物。研究了反应对环状酮的兼容,发现修饰-CN,-OMe,-p-Br-C6H4,-CF2官能团的底物与反应兼容(13la~13m)。N杂环酮能够选择性生成丁三烯13n。大体积酮(2-金刚烷酮)在室温下无法反应,但是当加热到90 ℃能够选择性生成丁三烯13o。环十二酮是一种比较柔性的二烷基酮化合物,能够生成对应的丁三烯13p,同时生成环状炔烃12p(cyclotridecyne)。    

总结
这项研究工作通过简单直接的重氮转移,得到可分离且热稳定的重氮磷叶立德。这种重氮磷叶立德化合物具有可消除的PPh3官能团和N2官能团,能够作为多功能的官能团转移试剂(转移Ph3PC,CN2或C原子)。这种重氮有机磷叶立德化合物可能提供碳原子的试剂,并且应用于复杂结构化合物分子的骨架结构编辑。
                
参考文献及原文链接
Taichi Koike et al., Ph3PCN2: A stable reagent for carbon-atom transfer.Science385, 305-311 (2024)
DOI: 10.1126/science.ado4564
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4564

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