金催化環(huán)化反應(yīng)綜述

1、 金催化環(huán)化反應(yīng) 周小凡 51140606164一、 前言金一直被認(rèn)為是化學(xué)惰性的金屬，由于其化學(xué)惰性和難于高分散，一般不被用來作為催化劑。20世紀(jì)70年代末以前，人們也曾考察過多種含金催化劑，但未發(fā)現(xiàn)它比其它貴金屬催化劑具有更好的催化性能。至80年代后期，Haruta發(fā)現(xiàn)負(fù)載型金催化劑具有很高的低溫CO催化氧化活性，并具有其他貴金屬不具有的濕度增強(qiáng)效應(yīng)，打破了認(rèn)為金沒有催化活性的傳統(tǒng)觀念，致使人們對其催化特性產(chǎn)生了極大興趣和關(guān)注。近年來, 金的配合物受到了廣泛的關(guān)注。經(jīng)大量成功反應(yīng)實(shí)例表明, 三苯基膦等各種電子給予體與金形成的配合物具有高催化性能, 現(xiàn)已逐步應(yīng)用于有機(jī)合成中。 金有兩種穩(wěn)定的

2、氧化態(tài)Au( I )和Au( III ) ,通常以AuX-4 , AuX3 和Au ( I) Ln 的配合物存在。其主要的功能是活化CC 重鍵(包括雙鍵和三鍵) ,也可以作為親電試劑進(jìn)攻C= X。金是一種過渡金屬, 對炔烴、芳烴、二烯烴及單烯烴, 顯示出高電子親和力; 作為Lew is酸同時也是一種具有活性的親電試劑。文獻(xiàn)報(bào)道了各類金催化劑催化環(huán)化，筆者按照環(huán)化底物和環(huán)化類型的分類，選擇一些最近金環(huán)化的代表性的例子，主要包括（1）1，n烯炔類化合物環(huán)化；（2）烯炔類化合物m+n環(huán)化；（3）炔類化合物環(huán)化。二、 1，n烯炔類化合物環(huán)化1，n稀缺類化合物是金催化環(huán)化應(yīng)用最為廣泛的底物，Echava

3、rren在這個領(lǐng)域有著開創(chuàng)性的工作，應(yīng)用了陽離子金催化劑在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域開展了各種高效的合成方法和應(yīng)用。1，n烯炔類化合物在金催化劑作用下能夠看到骨架的重排反應(yīng)而且優(yōu)于鈀催化和銠催化。至今為止，Echavarren，zhang，toste，和其他人在烯炔的不對稱催化環(huán)化方面都有比較突出的工作。此綜述挑選了一些在這個方面的比較有代表性的例子。較早的2004年，toste小組報(bào)道了1,5烯炔類化合物環(huán)化1，這個反應(yīng)使用了PPh3AuCl為催化劑，合成了具有dr值較高的雙環(huán)3.1.0己烯產(chǎn)物。發(fā)展了這一類高效的立體專一性較好的金催還環(huán)化反應(yīng)，這個反應(yīng)的機(jī)理可能是金催化劑親核加成到炔上，然后生成環(huán)丙烷卡

4、賓中間體，并且發(fā)生了1,2-質(zhì)子轉(zhuǎn)移，這個反應(yīng)的立體選擇性和立體專一性取決于半椅式過渡態(tài)，與炔基的Cope重排反應(yīng)類似。同樣的，在2006年，toste小組報(bào)道了一種室溫下以 (Ph3PAu)3OBF4作為催化劑2，二惡烷作溶劑，1,5-烯炔類化合物與1當(dāng)量的水作用合成二氫吡喃化合物，且生成的產(chǎn)物有較高的選擇性，為合成具有天然活性的產(chǎn)物邁下堅(jiān)實(shí)的一步，這個反應(yīng)的機(jī)理是金催化劑親核加成，然后發(fā)生6-endo-dig環(huán)化。在2010年3，M. Echavarren小組又發(fā)現(xiàn)一類1,6-烯炔類化合物在配體金催化劑的作用下得到1,3-二取代萘類化合物，這個反應(yīng)是金親核加成，然后發(fā)生6-endo-dig

5、環(huán)化，在發(fā)生1,2-質(zhì)子遷移，然后發(fā)生裂解發(fā)生得到產(chǎn)物。2012年，張俊良老師課題組發(fā)展了一類以烯炔肟類化合物為原料4，甲醇為親核試劑，IPrAuCl/AgSbF6作為催化劑，合成N-甲氧基吡咯化合物，提供了一種比較安全、溫和、簡單的合成N-甲氧基吡咯類化合物的方法。同樣的，在2012年5，toste小組發(fā)現(xiàn)了一種以手性陽離子金屬催化劑催化烷硅氧基烯炔類化合物對映選擇性環(huán)化的反應(yīng)，ee值超過90%，這類反應(yīng)經(jīng)過5-endo-dig或者5-exo-dig 環(huán)加成過程，得到一種很有用的環(huán)外甲基的五元環(huán)產(chǎn)物或者得到環(huán)戊烯產(chǎn)物，同樣證明了這類底物能過與烯類化合物作用得到一種雙環(huán)3.3.0辛烷產(chǎn)物，得到

6、雙環(huán)產(chǎn)物的機(jī)理可能是金催化劑親核加成再經(jīng)過兩次環(huán)化反應(yīng)得到產(chǎn)物。在2014年6，張俊良老師課題組又發(fā)展了一類以手性金催化劑催化1,6烯炔類化合物合成具有選擇性的雙環(huán)3.1.0己烷類化合物。在這個轉(zhuǎn)換的過程中，N-氧化喹啉的輔助作用對反應(yīng)的對映選擇性起到了一個非常重要的作用，這個反應(yīng)可能的機(jī)理是先金催化劑親核加成然后N-氧化喹啉加成，再發(fā)生5-endo-dig和環(huán)丙烷化反應(yīng)得到產(chǎn)物。Tostes work 2012 2015年7，toste小組又發(fā)展了一種金催化劑去芳構(gòu)化環(huán)化的一類型反應(yīng)，這個反應(yīng)使用了吲哚炔類化合物做底物，應(yīng)用手性配體金催化劑，室溫下很快就可以得到產(chǎn)物環(huán)戊二烯并吲哚，這類反應(yīng)之

7、前報(bào)道較少，因此具有開創(chuàng)性的意義，而且顯示出金配體催化劑在催化吲哚炔丙酸酯類化合物環(huán)化和吲哚丙炔縮醛類化合物環(huán)化之間的巨大差距，這個反應(yīng)的機(jī)理是先金催化劑親核加成，然后跟縮醛的氧發(fā)生親電加成環(huán)化，然后裂環(huán)脫去一分子乙醛，再發(fā)生Nazaro環(huán)化就可以得到產(chǎn)物。Tostes work (2015) 1,n烯炔類化合物的環(huán)化發(fā)展較快，從最開始的簡單的環(huán)化過程到現(xiàn)在的選擇性環(huán)化，從比較簡單的金催化劑到現(xiàn)在發(fā)展的大量的不同構(gòu)型的手性金催化劑，發(fā)展這些新型合成方法對金催化來說意義重大。三、烯炔類化合物m+n環(huán)化相較于應(yīng)用最為廣泛的1，n烯炔類化合物環(huán)化，金催化的m+n環(huán)加成反應(yīng)是另外一類發(fā)展也是極為快速的

8、環(huán)加成類型。這類底物比較廣泛，有烯和炔的環(huán)加成、烯和聯(lián)烯的環(huán)加成、烯酸酯轉(zhuǎn)換成聯(lián)烯和烯的環(huán)加成、硝酮和炔酮的環(huán)加成反應(yīng)等類型，也是金催化中的一個比較熱門的領(lǐng)域。較早的2007年8，M. Echavarren小組發(fā)展了一類以1,8-二烯-3-炔類化合物為底物，室溫在金催化劑的作用下進(jìn)行5-exo-dig的4+2環(huán)化過程生成八氫茚的反應(yīng)，同時在有些底物中觀察到有少量的6-endo-dig產(chǎn)物產(chǎn)生，這個反應(yīng)同樣可以放在微波爐中加熱反應(yīng)。同樣在2010年9，Rai-Shung Liu小組以鄰丙炔基苯甲醛和乙烯基乙基醚，室溫在金催化劑的作用下合成橋環(huán)化合物的反應(yīng)，這個反應(yīng)顯示了4+2環(huán)加成的構(gòu)建這種類型

9、的骨架的可行性。同樣在2010年10，toste小組發(fā)現(xiàn)了一類以丙二烯二烯烴在金催化劑的作用下選擇性的4+2環(huán)加成反應(yīng)，不對稱催化合成茚和吡咯產(chǎn)物，而且取到了良好的產(chǎn)物和較好的立體選擇性，對于不對稱金催化環(huán)加成反應(yīng)是一個比較重要的發(fā)展。在2012年11，Seunghoon Shin小組以炔丙酸和烯烴為底物，JohnPhos氯化金為催化劑，4+2環(huán)加成反應(yīng)得到六元環(huán)內(nèi)酯產(chǎn)物，DFT表明這個反應(yīng)不是經(jīng)過環(huán)丁烯中間體，這個反應(yīng)的獨(dú)特的立體專一性是經(jīng)過一個-鍵的重排的立體空間作用。 在2008年12，toste小組發(fā)現(xiàn)一個分子間的4+3環(huán)加成反應(yīng)，底物是炔酸酯和N-苯基胺，催化劑是PicAuCl，室溫

10、下反應(yīng)就可以得到氮雜環(huán)庚二烯產(chǎn)物，并且發(fā)展了這一類產(chǎn)物，而且可以用于材料上，這是罕見金催化的分子間的4+3環(huán)加成反應(yīng)，在這一類反應(yīng)中非常的突出。然后再2009年13，該小組又發(fā)表了一篇文章，這個反應(yīng)比較有趣的是，同樣的底物丙二烯二烯類在不同的金催化劑的作用下發(fā)生完全不同的4+2和4+3的環(huán)加成反應(yīng)，他們證明了這兩種加成方法的反應(yīng)機(jī)理，這個反應(yīng)的機(jī)理是經(jīng)過親核加成形成卡賓中間體，然后親電加成得到一個含正負(fù)離子中間體，最后發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化就可以得到產(chǎn)物。 在2010年14，M. Echavarren小組發(fā)表了一篇關(guān)于分子間的2+2環(huán)加成反應(yīng)的文章，這個反應(yīng)以炔和烯為底物，金催化劑催化下得到環(huán)丁烯產(chǎn)物

11、，使用了比較特殊了有大空間維族的手性金催化劑，這個反應(yīng)顯示了一個不存在強(qiáng)加于分子間的作用力的情況下，僅僅依靠金催化劑得到環(huán)丁烯產(chǎn)物，這個反應(yīng)成功的關(guān)鍵是在烯烴存在的條件下應(yīng)用了大空間的配體活化炔基，發(fā)現(xiàn)了這樣一種新的分子間環(huán)化的新方法。同樣的在2011年15，Philip Wai Hong Chan小組發(fā)現(xiàn)了一類分子內(nèi)的2+2環(huán)加成的反應(yīng)，以1,7稀缺苯甲酸鹽為底物，金催化劑作用下得到氮雜雙環(huán)4.2.05-辛烯，反應(yīng)中伴隨著1,3遷移的步驟，同樣使用了含有大空間的配體的金催化劑，這個反應(yīng)可以用來合成許多化學(xué)藥物的骨架，而且是非典型的1，n烯炔化合物環(huán)異構(gòu)化作用，具有十分特殊的意義。 2011年

12、16，張立明教授課題組發(fā)展了一種2+2+1分子間環(huán)加成反應(yīng)合成2,5-二取代惡唑類化合物新方法，其應(yīng)用的底物是炔和腈類化合物還有氧化劑，這個反應(yīng)條件溫和，而且底物較廣，甚至包括比較復(fù)雜和昂貴的腈類化合物，僅僅需要3個當(dāng)量的腈類化合物而且不需要任何溶劑，只需要1%的BrettPhosAuNTf2催化劑，而且產(chǎn)率非常的好，因此這種反應(yīng)非常的重要，是一種優(yōu)勢反應(yīng)。2011年17，Rai-Shung Liu小組發(fā)現(xiàn)一種氧化還原的分子間2+2+1環(huán)加成反應(yīng)，這個反應(yīng)以鄰乙炔基硝基苯和烯烴為底物，以PPh3AuNTf2為催化劑，得到立體選擇性的產(chǎn)物，這是一個經(jīng)過卡賓中間體的反應(yīng)，這類型的反應(yīng)迄今為止較為少

13、見，這個反應(yīng)的機(jī)理是先金催化劑親和加成，再親電加成形成六元環(huán)親烯體，再與烯烴發(fā)生加成反應(yīng)最后脫去配體催化劑就可以得到產(chǎn)物。 在金催化的m+n環(huán)加成反應(yīng)的這個領(lǐng)域，M. Echavarren和toste等小組都做出了非常大的貢獻(xiàn)，這類型反應(yīng)能夠合成具有特殊骨架的產(chǎn)物，使用了手性金催化劑大體都基本都有較好的立體選擇性，這類型的反應(yīng)發(fā)展較快，而且應(yīng)用廣泛。四、炔類化合物環(huán)化 炔類化合物也是金催化環(huán)化的一個重要研究范圍，炔類化合物原料來源廣泛且易制備，其與金催化劑配位的時候會有兩個親核進(jìn)攻位點(diǎn)，因此大多數(shù)炔類化合物在金催化環(huán)化的時候會產(chǎn)生兩種進(jìn)攻方向，得到兩種不同的環(huán)狀化合物，因此這類方向吸引了很多人

14、的興趣，合成具有特殊功能的骨架手性金催化劑選擇性環(huán)化是比較核心的研究方向。 在2010年18，成都生物研究所姬建新小組報(bào)道了一種比較溫和的制備方法來制備丁烯羥酸內(nèi)酯，丁烯氫酸內(nèi)酯骨架存在超過13000個自然化合物，其中包括抗生素、抗菌素、防污、抗癌等，因此尋找構(gòu)建這種骨架的方法吸引了很多人的興趣。該小組使用炔烴、胺和乙醛酸做底物，在三溴化金的作用得到丁烯羥酸內(nèi)酯產(chǎn)物，這個反應(yīng)使用了較為簡單的金催化劑在室溫條件下就得到了產(chǎn)物，優(yōu)點(diǎn)比較明顯。同樣在2010年19，F(xiàn)abien Gagosz小組發(fā)展了金催化劑作用的炔烴的加氫烷基化反應(yīng)，這類化合物立體選擇性成五環(huán)或者六環(huán)的關(guān)鍵是炔氫化合物種類的不同和

15、化合物的空間位阻。這個研究發(fā)展了一種新型環(huán)異構(gòu)化的作用，而且顯示氫質(zhì)子轉(zhuǎn)移在環(huán)化中的作用。2013年20，toste小組發(fā)表了一篇金催化的炔類化合物對映選擇性環(huán)化，使用了(DTBM-MeO-Biphep)-AuCl這種配體金催化劑，這個反應(yīng)得到較高的產(chǎn)率和極好的ee值，這類方法可以用來合成具有光學(xué)活性的3-甲氧基環(huán)戊烯酮類化合物，這個反應(yīng)的機(jī)理可能是形成的手性乙烯基金中間體的對映選擇性環(huán)化。該小組在2014年又發(fā)表了一篇關(guān)于金催化的炔類化合物環(huán)化的文章21，這個反應(yīng)使用取代氧化吡啶和炔為底物，在PicAuCl2的作用下得到吡唑產(chǎn)物，得到的是一個吡啶并吡唑骨架，由于吡唑類化合物在大部分生物活性產(chǎn)

16、物和藥物存在，因此該反應(yīng)意義重大，而且在骨架的構(gòu)建的過程中光學(xué)活性不會消失，因此可以用來廣泛合成這種類型的產(chǎn)物。這個反應(yīng)可能的機(jī)理是經(jīng)過一個親核加成生成卡賓的金屬中間體，再進(jìn)行親核加成，最后脫水環(huán)化。同樣，在2014年22，張俊良老師課題組發(fā)表了一篇炔基羥胺化合物在IPrAuNTf2的催化下環(huán)化生成吡咯的產(chǎn)物，吡咯是許多天然產(chǎn)物和藥物的骨架，這個反應(yīng)的亮點(diǎn)之一是帶有取代三氟甲基，如何改進(jìn)和增強(qiáng)的生物活性也比較吸引人的注意，使用現(xiàn)成的原來哦尋找簡單高效構(gòu)建這樣一個帶有一個特定位置的三氟甲基的產(chǎn)物具有什么重要的意義。 二炔化合物也是金催化環(huán)化使用的比較廣泛的底物。在最近的2012年23，張立明教授

17、小組發(fā)表了一篇鄰苯二炔類化合物在金作用下分叉環(huán)化的文章，這篇文章使用的是BrettPhosAuClNTf2作為催化劑，得到兩種三環(huán)化合物，這個反應(yīng)最可能的機(jī)理兩分子的金催化劑一分子親核加成到炔鍵形成乙烯基中間，另外一分子跟端炔氫發(fā)生取代反應(yīng)，然后發(fā)生5-endo-dig環(huán)化，形成五元環(huán)環(huán)外烯丙基中間，再環(huán)化一次得到三元環(huán)產(chǎn)物，不同于我們已經(jīng)已知銠釕和鎢，這里金能過比較容易的插入到碳（Sp30氫鍵之中，這里金乙烯基的形成是分叉反應(yīng)的關(guān)鍵，還加入N-氧化吡啶來催化反應(yīng)形成這個中間體，金催化劑可以認(rèn)為是來控制環(huán)化的方向。在2013年24，A. Stephen K. Hashmi小組發(fā)表了一篇鄰苯二炔

18、化合物氧化環(huán)化的反應(yīng)，這是金催化二炔烴氧化環(huán)化的空前發(fā)現(xiàn)，這個反應(yīng)的機(jī)理是來自N-氧化吡啶的氧進(jìn)攻被金催化劑活化的炔鍵來發(fā)起的，最后sp3插入反應(yīng)得到二氫茚酮，這里比較吸引人的是好運(yùn)的發(fā)現(xiàn)金屬催化劑的分解作用。2012年25，Philip Wai Hong Chan小組就發(fā)表了一篇關(guān)于金催化的1,7-二炔苯甲酸鹽環(huán)化的文章，得到茚并氮雜環(huán)庚三烯或者氮雜雙環(huán)1,5-辛二烯產(chǎn)物，這個反應(yīng)的機(jī)理是當(dāng)與氮相連的炔是端位炔，此時金催化劑進(jìn)攻這個端位炔，然后發(fā)生5-endo-dig和7-endo-dig環(huán)化得到茚并氮雜環(huán)庚三烯產(chǎn)物；當(dāng)這個炔不是端位炔的時候，金催化劑先進(jìn)攻另外一個炔，然后發(fā)生1,3-遷移反

19、應(yīng)，再經(jīng)過2+2環(huán)加成反應(yīng)就可以得到氮雜雙環(huán)辛二烯產(chǎn)物，這個反應(yīng)用來構(gòu)建這兩種特殊的骨架比較有用。在2013年26，該小組又發(fā)表了一篇1,6-二炔酯類化合物在金催化劑作用下得到三環(huán)芴類產(chǎn)物，這個的機(jī)理是金催化劑的作用下，先發(fā)生1,2-酰氧基的遷移，經(jīng)過環(huán)丙烷/Nazaro環(huán)化等得到最終產(chǎn)物，這類型的反應(yīng)對構(gòu)建芴的骨架非常有用。2015年27，該小組又發(fā)表了一篇類似的文章，他們在研究1,11-二烯-2,9-二炔苯甲酸酯類化合物時，發(fā)現(xiàn)這類底物能過在不同的金催化劑的作用下得到環(huán)己酮類化合物和環(huán)庚酮類化合物，得到了具有生物活性的二萜類化合物，這種雙環(huán)異構(gòu)化在金催化劑選擇性環(huán)化方面是史無前例的發(fā)現(xiàn)，該

20、反應(yīng)的機(jī)理是經(jīng)過一次Nazarov環(huán)化，然后可以5-exo-dig環(huán)化環(huán)化得到兩個五元環(huán)，然后環(huán)丙烷化經(jīng)過Cope重排得到六元環(huán)的環(huán)己酮，也可以經(jīng)過6-endo-dig環(huán)化形成雙環(huán)中間體，再環(huán)丙烷化經(jīng)過Cope重排得到七元環(huán)的環(huán)庚酮化合物。 炔類化合物在金催化劑的作用下催化成環(huán)，這在構(gòu)建某些特殊骨架的時候非常有用，特別是二環(huán)甚至三環(huán)骨架，在這個領(lǐng)域，Toste和Philip Wai Hong Chan等的貢獻(xiàn)特別大，發(fā)展了金催化劑環(huán)化的反應(yīng)。五、結(jié)論 金是一種過渡金屬, 在與具有電子化合物作用時顯示其高親電性; 在已知金催化反應(yīng)中, 發(fā)現(xiàn)金的反應(yīng)活性優(yōu)于其他貴金屬催化; 金具有穩(wěn)定性, 在大多

21、數(shù)反應(yīng)中不會同時發(fā)生氧化或還原反應(yīng), 因而在金催化下偶聯(lián)反應(yīng)是很難進(jìn)行的; 由于金的配合物具有優(yōu)良催化活性, 目前已被廣泛應(yīng)用于選擇氧化、選加氫、羰基化、縮合以及環(huán)化等反應(yīng)。金催化劑發(fā)展越來越迅速，各種大量的手性配體催化劑的制備，各種高效的立體選擇性催化反應(yīng)在不斷的被報(bào)道出來28。隨著高活性Au催化劑的發(fā)現(xiàn)以及與其它金屬復(fù)合和助催化劑的共同應(yīng)用, 可以確信, 在不久的未來, 從事均相催化反應(yīng)的化學(xué)工作者將會給金提供更多展示自身價(jià)值的機(jī)會, 將為發(fā)展新的金催化化學(xué)反應(yīng)或改進(jìn)原有化學(xué)反應(yīng)提供更廣闊的天地29。六、參考文獻(xiàn)1. M. R. Luzung, J. P. Markham; Toste,

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