偕二氟烯烃是一类独特的结构基团,它在药物、材料等领域有着重要的应用。偕二氟烯烃具有独特的特性,如调节有机分子的代谢稳定性和亲脂性。氟的强负电性和偕二氟乙烯基的化学反应性使偕二氟烯烃具有强大的亲电性,其可以用作胸苷酸合酶或其他酶的不可逆抑制剂,例如5-(2,2-二氟乙烯基)-2'-脱氧尿苷(1)可以作为新型抗病毒药物。此外,偕二氟烯烃的在口服活性凝血酶抑制剂如SSR182289A(2)、微管蛋白抑制剂(3)或氨基酸衍生物中也具有显著应用(Scheme 1a)。因此,近年来偕二氟烯烃的高效合成受到了广泛的关注。然而由羰基化合物经包括Wittig、Horner-Wadsworth-Emmons等经典反应的制备方法通常需要强碱性条件且底物范围的受限。最近,研究人员发现二氟卡宾是制备的偕二氟烯烃的有效前体(Scheme 1b)。以氟化重氮烷烃作为CF2基团前体的例子仍少有报道,仅王剑波课题组报道了2,2,2-三氟重氮乙烷与有机硼酸的双氟乙烯基化。受此启发,德国亚琛工业大学Rene M. Koenigs教授首次报道了钯催化吲哚杂环与氟化重氮烷烃经串联的C-H官能化和β-氟消除反应以合成偕二氟烯烃的方法。该方法条件温和,反应快速高效。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上(DOI: 10.1002/anie.201915500)。
(来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
起初,作者以苯基(三氟甲基)重氮甲烷8a和1,2-二甲基吲哚7a作为模型底物,NaBArF为添加剂,rac-BINAP为配体,DCM为溶剂,考察了不同钯化合物的催化活性(Table 1)。结果表明Pd(OAc)2能以最高比例为55:18得到偕二氟烯烃9a和卡宾插入产物11a。随后,作者对其他条件如配体,溶剂和温度进行筛选。双齿膦配体对反应的选择性和收率起到重要作用,利用dppbe配体能以92%的收率得到偕二氟烯烃9a,且具有很好的选择性(entry 6)。NaBArF的弱配位对于此转化至关重要,因为乙酸盐可能会使Pd催化剂失活(entry 7)。
(来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
确定了最佳条件后,作者接着考察了底物的适用范围(Scheme 2)。多种脂肪族取代基(包括末端烯烃)都可以与反应体系兼容,并以较高的收率得到偕二氟烯烃产物9a-9k。连有不同取代基的芳基三氟重氮乙烷均能选择性地形成相应的产物9l-9p,收率60%-89%。
(来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
另外,在吲哚的5、6和7位上的卤素或供电子取代基具有良好的耐受性,并能高效率地在3位引入1-芳基-(2,2-二氟乙烯基)基团(Scheme 3,9p-9v)。然而,吸电子取代基会抑制反应进行。吲哚4位的取代基会形成环丙烷化和C-H官能化产物。4位带有大位阻的溴取代基则会选择性地得到环丙烷化产物14b。
(来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
作者经进一步的研究发现当氮上保护基变换为苯基时,化学选择性会完全转变,并且在相同的反应条件下仅得到单一环丙烷产物15a,这可能归因于N-芳基吲哚杂环的亲核性较低(Scheme 4)。多种不同的N-芳基保护的吲哚衍生物都能以中等收率选择性地获得环丙烷化产物15a-15h。
(来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
关于反应机理,作者推测Pd(II)催化剂18首先形成了Pd-卡宾配合物19, 其随后与吲哚进行亲核加成形成20,该化合物进行β-氟消除反应,得到偕二氟烯烃9;或者,经1,2-质子转移反应得到三氟甲基化反应产物11,同时释放Pd(II)配合物。三氟甲基化产物11a的控制反应表明未形成9a,这进一步证实了β-氟消除反应途径的重要性(Scheme 6b)。最后,中间体20经Pd(II)配合物的断裂,然后环合得到环丙烷产物15(Scheme 6a)。
(来源:Angew. Chem. Int. Ed.)
总之,作者首次报道了钯催化氟化重氮烷烃与吲哚杂环的C-H官能化反应,并顺利地向吲哚杂环和富电子芳族体系引入1-芳基-(2,2-二氟乙烯基)基团。该方法可以一步直接合成重要的二氟代烯烃,其中β-氟消除是反应的关键步。