钯催化的区域选择性和化学选择性C–H/C–H氧化环化反应：以o-炔基苯乙烯为原料生成融合型花青素类化合物

《Journal of Catalysis》：Palladium-catalyzed regio- and chemoselective C–H/C–H oxidative cyclization of o-alkynylstyrenes leading to fused chrysenes

高效钯催化C–H/C–H氧化环化构建融合芘类化合物，机理涉及离子钯中间体调控的卡宾插入与消除，DFT计算证实1,2-插入能垒低于2,1-路径4.7 kcal/mol。

　　

徐桂清|张一琳|徐磊|岳圆圆|徐莉|侯志辉|白若鹏|刘建明

河南省精细化工绿色制造协同创新中心，教育部绿色化学介质与反应重点实验室，河南师范大学化学与化学工程学院，中国河南省新乡市453007

摘要

我们成功开发了一种高效且通用的钯催化区域选择性及化学选择性的C–H/C–H氧化环化方法，用于o-炔基苯乙烯的转化。多种o-炔基苯乙烯衍生物均表现出良好的兼容性，能够以高产率和优异的化学选择性获得目标融合螺旋烯类化合物。机理研究表明，钯与炔基的配位促进了分子内的碳钯化反应，随后发生脱质子化，接着是炔基的选择性插入和还原消除。决定选择性的炔基插入步骤归因于阳离子Pd(II)中间体，这些中间体不仅增强了反应中间体的亲电性，还降低了1,2-插入过渡态的自由能障碍（通过DFT计算得到验证）。这一策略为合成融合螺旋烯类化合物提供了新的途径。

引言

融合螺旋烯类化合物是光电有机材料、生物活性化合物和荧光生物成像探针中的关键结构单元[1]、[2]、[3]、[4]。与小芳香族化合物相比，它们具有更优异的物理和生物性质，包括扩展的π共轭结构、较窄的HOMO-LUMO能隙、长波吸收/发射特性、较低的氧化还原电位以及强的π-π相互作用。因此，由于这些特性，人们投入了大量研究致力于开发功能性融合螺旋烯类的合成方法[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。传统的合成方法通常涉及钯催化的芳香族化合物与二碘联芳基的π延伸反应（Scheme 1a）[23]；或者利用钯催化的Heck型烯基化反应（Scheme 1b）来快速制备融合螺旋烯类，包括顺序的硝基活化ortho-C–H芳基化、两次连续的脱硝基烯基化和分子内环氢化。尽管这些方法各有优势，但通常需要多步骤反应（如卤化、交叉偶联、氧化环化）[25]、[26]、[27]、[28]、[29]，并且前体种类有限，整体效率较低。值得注意的是，开发催化选择性C–H/C–H氧化策略在金属经济性和操作简便性方面具有理想的优势。

引言（续）

融合螺旋烯类化合物在光电有机材料、生物活性化合物和荧光生物成像探针中具有重要应用[1]、[2]、[3]、[4]。与小芳香族化合物相比，它们具有更优异的物理和生物性质，例如扩展的π共轭结构、较窄的HOMO-LUMO能隙、长波吸收/发射特性、较低的氧化还原电位以及强的π-π相互作用。因此，人们投入了大量研究致力于开发功能性融合螺旋烯类的合成方法[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。传统的合成方法包括钯催化的芳香族化合物与二碘联芳基的π延伸反应（Scheme 1a）[23]，或者利用钯催化的Heck型烯基化反应（Scheme 1b）。然而，这些方法通常需要多步骤反应，并且前体种类有限，整体效率较低。开发催化选择性C–H/C–H氧化策略在金属经济性和操作简便性方面具有显著优势。

结果与讨论

为了评估这一方法的可行性，我们以1-(苯乙炔基)-2-(丙-1-烯-2-基)苯（1a）作为模型底物进行了研究。通过系统地探索不同条件，我们确定了最佳反应条件（表1）。结果表明，在DMF和DMSO存在下，使用催化量的PdCl₂（10 mmol%）和Cu(OAc)₂·H₂O（40 mmol%）能够获得最佳结果。

机理研究

为了阐明钯催化的C–H/C–H氧化环化机制，我们进行了一系列对照实验（Scheme 5）。使用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基（TEMPO）和丁基羟基甲苯（BHT）进行的自由基捕获实验分别以35%和36%的产率获得了目标产物2a（Scheme 5a和5b）。这些结果表明自由基中间体并未参与该转化过程。为了研究取代基的影响，我们进一步进行了相关实验。

结论

总结来说，我们开发了一种钯催化的C–H/C–H氧化环化方法，用于将o-炔基苯乙烯转化为融合螺旋烯类化合物，该方法在制备有机光电材料方面具有巨大潜力。该方法表现出优异的官能团耐受性，底物范围广泛，能够以高产率和优异的区域选择性及化学选择性获得目标融合螺旋烯类化合物。该策略的关键在于阳离子钯物种的双重作用。

CRediT作者贡献声明

徐桂清：实验研究。张一琳：实验研究。徐磊：数据分析。岳圆圆：写作、审稿与编辑、指导。徐莉：数据分析。侯志辉：数据分析。白若鹏：指导。刘建明：初稿撰写、指导、方法学设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（项目编号：21573057）、河南省自然科学基金（项目编号：232300421230）以及河南省重点科研基础研究项目（项目编号：26ZX009）的财政支持。