2010年第30卷 有 机 化 学 Vol. 30, 2010 第4期, 506～514 Chinese Journal of Organic Chemistry No. 4, 506～514

* E-mail: yangdq@scnu.edu.cn Received March 30, 2009; revised June 27, 2009; accepted September 14, 2009. 国家自然科学基金(No. 20772036)、广东省自然科学基金重点(No. 8251063101000002)及广东省自然科学基金(No. 7005804)资助项目.

·综述与进展· 铱催化环加成反应的研究进展 边红旭 杨定乔* (华南师范大学化学与环境学院 广州 510006)

摘要 过渡金属催化环加成反应是合成单环及多环化合物的重要方法, 也是有机化学的研究热点之一. 综述了近年来铱催化环加成反应的研究进展, 主要包括了[2＋2＋1], [2＋2＋2], [4＋2], 1,3-偶极环加成反应等, 及少量关于[3＋2＋2], [3＋2], [5＋1]环加成反应的报道, 并讨论了部分铱催化环加成反应机理. 关键词 铱催化; 环加成; 铱配合物

Progress of Iridium-Catalyzed Cycloaddition Reactions Bian, Hongxu Yang, Dingqiao* (School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 51006)

Abstract Transition metal-catalyzed cycloaddition reaction of unsaturated substances, such as alkynes and alkenes, is one of the most important methods for the synthesis of mono-ring and multi-ring systems. In this paper, the recent progress in iridium-catalyzed cycloaddition reactions is reviewed, mainly including [2＋ 2＋1], [2＋2＋2], [4＋2], 1,3-dipolar cycloaddition reactions. In addition, some iridium-catalyzed [3＋2＋2], [3＋2] and [5＋1] cycloaddition reactions are described. Some parts of cycloaddition reaction mecha-nisms are also discussed. Keywords iridium catalysis; cycloaddition; iridium complex

环加成反应是合成单环及多环化合物的一类重要方法. 德国化学家Diels与其助手Alder[1]早在1928年报道了环戊二烯和顺丁烯二酸酐进行环加成反应, 这就是关于环加成反应的最早报道. 常见的环加成反应类型除[4＋2]外, 还有[2＋2＋1], [2＋2＋2], [3＋2], [3＋4]和偶极环加成等. 环加成反应可以将直链化合物直接转变成环状化合物, 且原子利用率高. 通过环加成反应可以得到四元环、五元环、六元环、七元环甚至八元环. 许多药物的合成利用了环加成反应, 例如: 通过[3＋2]环加成得到作为β-内酰胺酶抑制剂的他唑巴坦[2]和具有杀菌活性的异噁唑啉化合物[3], 徐显秀等[4]采用[2＋2]环加成反应合成得到的加巴喷丁(Gabapentin)是一种主要用于治疗癫痫及多种神经性疼痛的药物. 近几十年来, 过渡金属以其特有的催化活性吸引了大批研究者的关注. 通过对铑、钯、铂等过渡金属配合物催化有机反应的研究, 取得了大量研究成果[5], 而关

于铱配合物作催化剂的研究却相对较少. 近几年来, 作为铑的同族元素, 铱越来越受到研究者的关注, 对铱配合物的研究也已取得了很大进展[6]. 将过渡金属催化剂

应用于环加成反应是有机化学的研究热点之一. 目前对铱催化环加成反应的研究主要集中在[2＋2＋2], [2＋ 2＋1], 1,3-偶极环加成反应等, 还有少量关于[4＋2], [5＋1], [3＋2＋2], [3＋2]等方面的报道. 使用铱配合物作催化剂催化环加成反应具有高对映选择性, 反应时间短, 转化率高等优点. 这些对手性药物的合成具有重要科学意义和应用前景. No. 4 边红旭等：铱催化环加成反应的研究进展 507 1 [2＋2＋1]环加成反应 过渡金属催化羰基化反应, 即 Pauson-Khand 型反应是一种合成含羰基的五元碳环化合物的重要方法, 烯-炔可以通过 Pauson-Khand 型反应合成一系列的环戊烯酮, 这一反应已经得到广泛研究及应用[7].

1.1 烯-炔的[2＋2＋1]环加成反应 2000年, Shibata等[8]用铱手性二膦配合物高对映选

择性地催化烯-炔分子内、分子外Pauson-Khand型反应, 得到了一系列高对映选择性的手性环戊烯酮化合物(表1). 手性铱配合物催化不对称合成可能的反应机理如Scheme 1所示, 反应依次经历了生成铱环戊烯4和铱环己烯酮5两个阶段.

表1 烯-炔对映选择性的羰基化反应a Table 1 Catalytic enantioselective carbonylation coupling of compound 1

Entry L* Time/hYield/% ee/% (config.)1 (S)-BINAP 12 64 86 (S) 2 (R)-BINAP 12 62 88 (R) 3 (S)-Tol-BINAP 18 83 93 (S) 4 (S)-Tol-BINAP 24 75 91 (S)

a COD: 1,5-cyclooctadiene; BINAP: 2,2'-bis(diphenylphosphino)-1,1'-bi-

naphthyl; Tol-BINAP: 2,2'-bis(di-p-tolylphosphino)-1,1'-binaphthyl.

该文同时介绍了烯、炔分子间[2＋2＋1]环加成反应. 在相同条件下, 降冰片二烯(8)与1-苯基丙炔(7)反应得到较高立体选择性和较高对映选择性的产物9a和9b (Eq. 1), 但是产率较低(32%). 2005年, Shibata等[9]又报道了用肉桂醛代替CO进

行该反应(Eq. 2), 虽然产率稍有降低, 但仍具有较高对映选择性(ee＞90%). 1.2 二炔的[2＋2＋1]环加成反应 环戊二烯酮是一种重要的高效合成中间体[10], 而

过渡金属催化炔-炔-CO反应就是一种直接有效的制备环戊二烯酮的方法. Shibata等[11]报道了铱配合物催化二炔的[2＋2＋1]环加成反应, 得到了高产率的环戊二烯酮衍生物11 (Eq. 3), 反应机理与烯-炔羰基化反应机理 (Scheme 1)相似. 仅少量的铱配合物在较低的温度下催化1,8-双(三苯硅基乙炔基)萘(12)就可得到高产率的环戊二烯酮产物13 (Eq. 4).

Scheme 1 508 有 机 化 学 Vol. 30, 2010

1.3 联烯-炔的[2＋2＋1]环加成反应 铱配合物Ir(CO)Cl(PPh3)2可有效催化联烯-炔的 [2＋2＋1]环加成反应(Eq. 5)[12]. 由于联烯有两个反应部位, 可能会通过两种不同的反应过程得到不同产物(Scheme 2). CO的压力对反应产物影响较大, 研究表明, CO在20 kPa下, 产物16a的产率最高(72%).

Scheme 2 2 [2＋2＋2]环加成反应 过渡金属催化烯、炔等不饱和基团进行[2＋2＋2]环加成反应在合成六元环反应体系中是最直接、原子利用率最高的方法, 许多类型的底物都可以进行分子内或分子间的此类反应[13]. 此类反应已经成为当前的研究

热点之一. 关于过渡金属催化乙炔进行[2＋2＋2]环加成反应的最早报道是Reppe等[14]用镍配合物作催化剂实现的. 之后, Vollhardt等[15]首次把钴催化[2＋2＋2]环加成反应用于合成天然产物苯并环丁烯中. 2.1 两种不同单炔的分子间反应 单炔直接进行[2＋2＋2]环加成反应是最直接的制备多取代苯的方法, 也是最早报道过的[2＋2＋2]环加成反应[14], 但这个途径选择性差, 因此在某些化合物的

合成中受到限制. 寻找能够使两种或三种不同的单炔进行高选择性交叉[2＋2＋2]环加成反应的催化剂, 是一很有挑战性的课题. Takeuchi等[16]在实验中发现, 在用催化量的[Ir(COD)Cl]2和不同配体高选择性催化两种不同单炔进行交叉[2＋2＋2]环加成反应中, 配体对反应有很大的影响. 当用1,2-双(二苯膦基)乙烷(dppe)作配体时, 两分子二(甲酸甲酯基)乙炔(DMAD)与一分子单炔反应得2∶1组合产物; 当用1,2-双(二氟代苯膦基)乙烷代替dppe, 一分子的DMAD与两分子的单炔反应得1∶2组合产物(Scheme 3). 一般认为反应经历铱环戊二烯中间体, 当用dppe作配体时为中间体20, 而配体换为

含拉电子基团的1,2-双(二氟代苯膦基)乙烷时则为中间体21.

Scheme 3 2.2 二炔和单炔(烯)的分子间反应 Shibata等[8]用Ir-Tol-BINAP催化烯-炔进行对映选

择性的Pauson-Khand型反应得到手性二环环戊烯酮, 用Ir-dppp催化二炔进行Pauson-Khand型反应得到二环环戊二烯酮[11,17]. 在产物中同时检测到副产物六元取代

苯衍生物, 这是二炔进行分子间[2＋2＋2]反应的产物. 这些结果启发了他们用铱催化炔烃进行[2＋2＋2]反应制备多取代苯衍生物[18].

Shibata等[19]用由[Ir(COD)Cl]2和MeDUPHOS制得

的手性铱配合物作催化剂, 对[2＋2＋2]反应有高立体选择性和高对映选择性(Eq. 6). 末端含有萘取代基的二炔10a与1,4-二甲氧基-2-丁炔(17b)反应, 得到C2对称的含有两个轴向手性中心的芳基化合物. 即使在少量的催化剂作用下, 同样有满意的对映选择性(表2). 用其它的邻取代芳基如2-甲基苯基、2-氯苯基等代替萘基, 反应产率同样在85%以上, 而相应产物的ee值在95%以上.