Rh-催化苯醌衍生物作为氧化剂的芳烃烯基化反应

《Organometallics》：Rhodium-Catalyzed Arene Alkenylation Using Benzoquinone Derivatives as Oxidants

这篇研究综述系统地报道了Rh催化芳烃烯基化反应，以12种邻位和对位取代的苯醌衍生物作为原位氧化剂，深入比较了它们在苯乙烯生成速率、马氏/反马氏选择性以及叔丁苯区域选择性方面的差异，并通过循环伏安法研究了醌的氧化还原电位对催化活性和选择性的影响，为开发可回收、高选择性的氧化剂体系提供了新视角。

　　

引言

烷基和烯基芳烃是聚合物、香料、农用化学品和药品的前体。例如，苯乙烯是大规模生产的，通常通过能耗较高的乙苯脱氢工艺合成。从乙烯和苯合成乙苯是通过酸催化机制进行的，涉及乙烯质子化和乙基阳离子与苯的亲电芳香取代。乙苯比苯更富电子，因此比苯更容易发生亲电芳香取代反应。因此，即使在低苯转化率下，也会产生大量的多乙苯副产物。为了提高乙苯产率，工业过程通常包含一个烷基转移步骤，将不需要的多乙苯转化为乙苯。

与芳烃烷基化后再脱氢相比，芳烃和烯烃直接氧化转化为烯基芳烃（方案1）具有潜在优势。我们课题组及其他研究者已报道了Rh、Pd、Ru和Ir催化的芳烃烯基化反应。这些催化剂被提议通过过渡金属介导的芳烃C–H活化、烯烃插入形成的M–Ar（Ar = 芳基）键、β-氢化物消除以及原位氧化剂氧化M–H中间体等步骤运行。这些催化剂的工作机制与Ir、Ru、Pt和Ni催化剂用于烯烃和芳烃转化为烷基芳烃类似。使用可被二氧循环再生的Cu(II)或Fe(III)羧酸盐作为直接氧化剂的分子Rh、Pd和Ir催化反应已有报道。同时，对于Rh催化的芳烃烯基化反应，二氧也可以作为唯一的氧化剂，尽管相对于使用空气可再生Cu(II)或Fe(III)羧酸盐的催化反应，其周转频率（TOF）和选择性显著降低。虽然使用Cu(II)羧酸盐作为氧化剂可观察到最佳的催化活性，但Cu(II)羧酸盐会介导化学计量苯酯的形成。因此，鉴定出能够被二氧循环再生且不发生副反应的氧化剂对于提高反应速率和选择性至关重要。

结果与讨论

反应条件的确定

以3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌（BQ）作为原位氧化剂（图1），确定了苯乙烯化反应的条件。这些条件类似于先前报道的使用Fe和Cu羧酸盐作为氧化剂的条件。在纯苯中，将相对于苯每单个Rh原子为0.001 mol %的[(η²-C₂H₄)₂Rh(μ-OPiv)]₂、相对于单个Rh原子为240当量的3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌、960当量的HOPiv和70 psig的乙烯在170°C的反应温度下、无空气条件下混合。在这些条件下，2小时后产生了86(23)个苯乙烯的周转数（TOs）。同时，观察到46(10)当量的副产物1,5-二-tert-丁基双环[2.2.2]辛-5-烯-2,3-二酮，该副产物在不存在Rh的情况下也会形成。尝试使用240当量的1,5-二-tert-丁基双环[2.2.2]辛-5-烯-2,3-二酮代替3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌作为原位氧化剂，2小时后未观察到苯乙烯形成。用960当量的KOPiv代替HOPiv进行的反应产生了10(2)个TOs的苯乙烯。使用10当量的3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌产生了7.0(3)个TOs的苯乙烯（基于3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌作为限制试剂，产率约为70%），这与每TO苯乙烯消耗1当量3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌一致。缺失任一组分：[(η²-C₂H₄)₂Rh(μ-OPiv)]₂、HOPiv或3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌的反应均未观察到苯乙烯。

tert-butyl-ortho-benzoquinone (BQ), HOPiv, or KOPiv and [(η²-C₂H₄)₂Rh(μ-OPiv)]₂being present under reaction conditions.">

苯乙烯化动力学与苯醌性质的关系

确定了苯醌衍生物作为Rh催化苯乙烯化活性氧化剂的条件后，我们研究了苯乙烯生成速率与苯醌种类的关系。如图2（左侧）所示，在ortho-苯醌衍生物中，苯乙烯生成速率（通过2小时时间点的初始周转数TOs确定）遵循以下趋势：1,2-萘醌 > 3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌 > 9,10-菲醌 > ortho-氯醌。使用取代para-苯醌的反应速率通常比使用ortho-苯醌的反应速率慢（图2，右侧），其中para-氯醌和2,5-二氯-para-苯醌给出的催化速率最快。在对位取代醌中，2-氯-para-苯醌的反应速率次之，随后是para-苯醌和para-氟醌。使用2,5-二-tert-丁基-para-苯醌、四甲基-para-苯醌和蒽醌时观察到最小的反应活性。如上所述，3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌与乙烯发生Diels–Alder反应，生成1,5-二-tert-丁基双环[2.2.2]辛-5-烯-2,3-二酮。当使用ortho-氯醌作为氧化剂时，观察到一种与1,4,5,6-四氯双环[2.2.2]辛-5-烯-2,3-二酮一致的产品，但未通过GC-MS定量。

ortho- or para-benzoquinone identity.">

为了量化醌氧化能力对苯乙烯化速率的影响，我们使用二茂铁作为内标进行了循环伏安法测量醌的还原电位。将反应2小时后产生的苯乙烯周转数作为苯醌还原电位的函数作图，以近似评估苯醌还原电位与周转频率（TOF）之间的关系（图3）。对于para-苯醌底物，苯乙烯生成的TOF通常随着醌氧化能力的增强而增加。尽管para-氟醌的还原电位与para-氯醌相似，但使用para-氟醌时观察到的最小反应活性，这可能表明para-氟醌存在催化剂失活途径。对于探究的四种ortho-醌底物，TOF从最弱的氧化剂菲醌增加到萘醌。使用ortho-醌中最强的氧化剂ortho-氯醌，导致在ortho-醌中的反应速率最慢。除了ortho-氯醌，使用ortho-苯醌基氧化剂导致的反应速率明显快于使用para-苯醌。

线性/支链选择性与苯醌性质的关系

对于苯与丙烯的催化烯基化反应，观察到四种主要产物：烯丙基苯、β-cis-甲基苯乙烯、β-trans-甲基苯乙烯和α-甲基苯乙烯。其中三种产物（烯丙基苯、β-cis-甲基苯乙烯和β-trans-甲基苯乙烯）来自反马氏选择性（线性选择性），而α-甲基苯乙烯来自马氏选择性（支链选择性）。考虑到醌种类对反应速率的影响，我们推测醌种类也可能在丙烯作为烯烃时调节线性/支链选择性。如图4所示，使用ortho-苯醌时，线性/支链选择性范围从2.6(1):1到4.8(1):1。对于para-苯醌底物，线性/支链选择性并未随醌种类的变化而呈现明显的趋势，在大多数情况下保持在2:1到3:1（线性/支链）之间（图5）。

ortho-benzoquinone identity.">

para-benzoquinone identity.">

为了确定醌氧化能力是否影响线性/支链选择性，我们将线性/支链选择性作为醌还原电位的函数作图。对于para-醌和ortho-醌，在不存在HOPiv情况下测量的氧化还原电位均未观察到明显的趋势（图6）。同样，将线性/支链选择性作为在HOPiv存在下测量的ortho-醌的E_1/2值的函数作图，得到了与不存在HOPiv时测量的E_1/2相似的趋势。

ortho- and para-quinones.">

与para-苯醌衍生物相比，ortho-苯醌衍生物观察到的趋势似乎遵循醌取代基供电子能力的变化，我们使用密度泛函理论（DFT）计算的相应氢醌衍生物的pK_a1值来近似表示。如图7（左）所示，线性/支链选择性随着计算出的ortho-氢醌pK_a值的增加而增加，这表明ortho-醌供电子能力的增加导致线性产物形成的增加。相反，作为para-醌取代基供电子能力的函数，观察到的选择性变化很小（图7，右）。

K_a1for the hydroquinone derivatives corresponding to the ortho-and para-quinones.">

我们推测，线性/支链选择性对ortho-醌取代基供电子能力的依赖性可能归因于ortho-醌充当配体，且形成的Rh-醌配合物的电子性质受醌取代基供电子能力调节。当考虑到para-醌还原电位和取代基供电子能力时，para-苯醌衍生物的线性/支链选择性缺乏统计学上显著的趋势，这可能表明在决定线性/支链选择性的步骤中，para-醌配体并未与Rh结合。

叔丁苯的区域选择性与苯醌性质的关系

为了进一步探究醌种类对选择性的影响，我们以tert-丁苯作为芳烃研究了邻位/间位/对位区域选择性（图8）。由于tert-丁苯具有位阻较大的邻位C–H键，在过渡金属催化的芳烃烯基化反应中通常仅观察到痕量的邻位烯基化产物。由于缺乏ortho-tert-丁基苯乙烯的生成，产物分布的简化有助于阐明芳烃C–H键活化的机制：接近2:1的间位/对位选择性通常与缺乏显著电子效应的机制一致，而偏向生成对位产物可能表明C–H活化具有亲电特性。在ortho-醌和para-醌中，作为醌还原电位的函数，未观察到间位/对位选择性的明显趋势（图9）。

tert-butylbenzene ethenylation as a function of benzoquinone identity.">

tert-butylbenzene as a function of the benzoquinone reduction potential.">

使用ortho-醌时，3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌给出2.8(1):1的间位/对位选择性，菲醌和萘醌给出约2:1的选择性，而ortho-氯醌给出1.49(4):1的选择性。使用缺电子的ortho-氯醌导致最显著的对位选择性，这可能表明芳烃C–H活化步骤具有某些亲电特性。当将间位/对位区域选择性作为与ortho-苯醌衍生物对应的氢醌pK_a1的函数作图时，观察到间位选择性随pK_a1的增加而普遍增加（图10）。对于para-苯醌，作为取代基供电子能力的函数未观察到明显趋势，这表明在决定间位/对位区域选择性的步骤中，para-苯醌并未与Rh结合，或者结合的para-苯醌不影响区域选择性。

tert-butylbenzene as a function of pK_a1of the corresponding hydroquinone derivative.">

竞争实验与机理探究

为了进一步探究ortho-醌取代基供电子能力是否调节Rh活化芳烃C–H键的机制，我们进行了使用等摩尔量甲苯和α,α,α-三氟甲苯的分子间竞争实验。我们使用3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌、菲醌、ortho-氯醌和para-氯醌作为氧化剂研究了该竞争反应，比较了2小时后产生的官能化苯乙烯的TOs（图11）。

3 and PhCF₃with 3,5-di-tert-butyl-ortho-benzoquinone, phenanthrene dione, ortho-chloranil, or para-chloranil as the oxidant.">

如图11所示，以3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌作为氧化剂时，α,α,α-三氟甲苯的反应速率约为甲苯的2倍。以菲醌作为氧化剂时，甲苯和α,α,α-三氟甲苯以统计学上相同的速率反应；而以ortho-氯醌作为氧化剂时，甲苯的反应速率约为α,α,α-三氟甲苯的4倍。使用para-氯醌作为氧化剂导致甲苯的反应速率比α,α,α-三氟甲苯快3.6倍。

ortho-醌种类变化时，甲苯与α,α,α-三氟甲苯反应活性的变化与反应条件下形成半醌或儿茶酚酸根配位的Rh配合物一致。使用3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌作为氧化剂导致优先活化α,α,α-三氟甲苯的C–H键，该化合物比甲苯具有更强的酸性C–H键。我们推测对更强酸性键的偏好源于形成了一种富电子的Rh活性物种，该物种可能通过CMD机制（方案3）活化C–H键。相反，使用ortho-氯醌作为氧化剂可能会形成相对缺电子的Rh配合物，该配合物可能通过具有更强亲电特性的机制运行。醌9,10-菲醌基于其相应氢醌的计算pK_a1，具有介于3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌和ortho-氯醌之间的中间电子供体能力。与基于计算pK_a1预测的电子供体能力一致，使用9,10-菲醌作为氧化剂导致α,α,α-三氟甲苯和甲苯的反应速率在统计学上相同。这表明其机制介于ortho-氯醌观察到的亲电CMD和针对3,5-二-tert-丁基-ortho-苯醌提出的CMD机制之间。

总结与结论

我们的结果表明，与相对富电子的ortho-苯醌相比，使用缺电子的ortho-苯醌会导致具有更强亲电特性的C–H活化机制，我们使用相应氢醌的计算pK_a值来近似这一指标。观察到的C–H活化机制趋势似乎不遵循醌的还原电位，而是ortho-醌取代基的供电子能力可能起作用。这些发现表明，ortho-苯醌可能与[(η²-C₂H₄)₂Rh(μ-OPiv)]₂反应形成Rh(II)半醌或Rh(III)儿茶酚酸根配合物（方案4），这有文献先例，并且这些配合物作为芳烃烯基化的活性催化剂。

当使用丙烯作为烯烃探究线性/支链选择性时，增加醌取代基的吸电子能力会导致线性产物的生成减少。在更富电子的Rh配合物上观察到更高的线性选择性，这与我们课题组先前关于Pt催化芳烃烷基化的研究结果相似。

与ortho-醌相比，对于ortho/meta/para和线性/支链选择性随醌种类变化观察到显著差异，而调节para-醌还原电位以及配体供电子能力仅产生微小的选择性变化。para-苯醌通常通过η²或η⁴键合与后过渡金属结合。使用para-苯醌添加剂催化过程的先前研究发现，添加醌取代基可以显著抑制醌与活性催化剂的配位，从而提高活性。

综上所述，我们的研究表明，ortho-醌衍生物很可能与活性Rh物种结合，从而导致配体效应。这些明显的配体效应体现在使用单取代烯烃和芳烃时，线性/支链和邻位/间位/对位区域选择性的显著变化。