環(huán)丁醇性質(zhì)、用途與生產(chǎn)工藝
環(huán)丁醇中羥基有兩種取向，即赤道方向或軸向方向，增加了一個(gè)新的自由度，從而能夠形成四種分子構(gòu)象，即赤道—反式（Eq-t, equatorial-trans）、赤道—間扭式（Eq-g, equatorial-gauche）、軸向—反式（Ax-t, axial-trans）和軸向—間扭式（Ax-t, axial-trans－gauche）。近年來(lái)環(huán)丁醇作為合成前體，成功應(yīng)用于γ位取代脂肪酮的區(qū)域選擇性的合成。其中C—C鍵斷裂主要通過(guò)，過(guò)渡金屬醇鹽的β-碳消除反應(yīng)，以及自由基參與氧化開(kāi)環(huán)反應(yīng)兩種方式進(jìn)行。與常規(guī)方法相比，環(huán)丁醇原料通過(guò)格氏反應(yīng)制備，來(lái)源廉價(jià)易得；其次，通過(guò)與不同的偶聯(lián)試劑反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)γ位取代脂肪酮的多樣性合成。
環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)官能化反應(yīng)是制備γ位取代脂肪酮的重要策略之一。通過(guò)區(qū)域選擇性的C—C鍵斷裂和新化學(xué)鍵(例如:C—C、C—N、C—O、C—F鍵等)的構(gòu)建，環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)反應(yīng)可以高效地在羰基的γ位引入各種各樣的取代基團(tuán)。環(huán)丁醇的開(kāi)環(huán)反應(yīng)途徑主要分為兩種: 1、通過(guò)過(guò)渡金屬鈀和銠催化的β-碳消除反應(yīng)開(kāi)環(huán)；2、自由基歷程的環(huán)丁醇單電子氧化開(kāi)環(huán)。
鈀催化的環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)反應(yīng) 1999年，Uemura小組報(bào)道了在氧氣條件下，Pd(Ⅱ)催化環(huán)丁醇的開(kāi)環(huán)反應(yīng)制備β，γ-不飽和酮。在此反應(yīng)中，他們推測(cè)可能先形成了環(huán)丁醇鈀(Ⅱ)鹽，然后該中間體很容易在位阻較小的一側(cè)發(fā)生β-碳消除，從而使C—C鍵斷裂生成烷基鈀(Ⅱ)中間體，最后經(jīng)歷β-氫消除得到烯烴產(chǎn)物。如下圖：
在上述反應(yīng)條件中需要氧氣作為氧化劑，表明該反應(yīng)是Pd(Ⅱ)/Pd(0)物種的催化循環(huán)。另一方面，Pd(0)/Pd(Ⅱ)的催化循環(huán)也常出現(xiàn)于鹵代芳烴參與的鈀催化反應(yīng)中。在上述反應(yīng)的啟發(fā)下，他們又用Pd(0)作為催化劑催化環(huán)丁醇與鹵代芳烴的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了四元環(huán)開(kāi)環(huán)芳基化，構(gòu)建了γ-芳基脂肪酮。反應(yīng)過(guò)程中，Pd(0)與鹵代芳烴原位生成的Pd(Ⅱ)中間體與環(huán)丁醇反應(yīng)生成醇鈀鹽，接著發(fā)生β-碳消除和還原消除反應(yīng)，得到芳基化產(chǎn)物。該轉(zhuǎn)化具有較高的反應(yīng)收率，良好的底物兼容性。見(jiàn)下圖：
自由基歷程的開(kāi)環(huán)反應(yīng) 環(huán)丁醇氧化開(kāi)環(huán)構(gòu)建，碳碳鍵-自由基參與的四元環(huán)，開(kāi)環(huán)通常作為“自由基鐘”反應(yīng)，用于自由基相關(guān)的動(dòng)力學(xué)研究中。運(yùn)用“自由基鐘”原理，以環(huán)丁醇為前體，經(jīng)歷自由基參與的開(kāi)環(huán)反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的羰基γ位的官能化反應(yīng)。Rocek發(fā)現(xiàn)硝酸鈰銨的Ce(Ⅳ)，可以氧化環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)?；诖搜芯?993年Kapustina小組發(fā)展了環(huán)丁醇參與的Minisci反應(yīng)，制備了一系列γ位氮雜芳環(huán)取代的脂肪酮。當(dāng)醋酸作溶劑，采用當(dāng)量的Pb(OAc)4或Mn(OAc)3作氧化劑時(shí)，環(huán)丁醇被氧化生成環(huán)丁基氧自由基，后者異構(gòu)化開(kāi)環(huán)生成γ-羰基烷基自由基。烷基自由基加成到質(zhì)子化的缺電性雜環(huán)上，得到γ-氮雜芳環(huán)取代的產(chǎn)物。當(dāng)雜環(huán)是吡啶時(shí)，氮原子的鄰位是主要反應(yīng)位點(diǎn)，其鄰位產(chǎn)物與對(duì)位產(chǎn)物比例約為3：1；而當(dāng)雜環(huán)是喹啉時(shí)，反應(yīng)選擇性較差，鄰位產(chǎn)物與對(duì)位產(chǎn)物比例約為1∶1。隨后，他們將該反應(yīng)發(fā)展到固相催化上，反應(yīng)更為高效。
錳催化的環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)構(gòu)建γ位疊氮化脂肪酮，烷基疊氮是一類(lèi)非常重要的合成中間體,被廣泛的應(yīng)用于含氮化合物的化學(xué)合成中。此外,由于轉(zhuǎn)化條件溫和,烷基疊氮參與的生物兼容反應(yīng)也被廣泛用于化學(xué)生物學(xué)研究中。以廉價(jià)的醋酸錳為催化劑,TMSN3為疊氮源,高碘化物BI-OH為氧化劑,環(huán)丁醇可以開(kāi)環(huán)得到γ位疊氮化產(chǎn)物。該反應(yīng)條件溫和,官能團(tuán)兼容性廣,可以區(qū)域選擇性地得到一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)的脂肪族疊氮化物。另外,具有并環(huán)骨架的環(huán)丁醇在該反應(yīng)條件下,可以經(jīng)過(guò)擴(kuò)環(huán)疊氮化反應(yīng),得到一系列通過(guò)其他方法難以合成的疊氮取代的苯并環(huán)酮產(chǎn)物。初步的機(jī)理研究認(rèn)為，該反應(yīng)是通過(guò)自由基參與的MnIII/MnV的催化循環(huán)實(shí)現(xiàn)的。
在四元環(huán)的環(huán)張力的輔助下，環(huán)丁醇的開(kāi)環(huán)反應(yīng)能夠在溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行。另外，環(huán)丁醇的制備簡(jiǎn)單，容易衍生化。因此，通過(guò)區(qū)域選擇性的C—C鍵斷裂方式實(shí)現(xiàn)的環(huán)丁醇的開(kāi)環(huán)官能化反應(yīng)。成為高效合成γ位取代脂肪酮的最重要途徑之一。從早期當(dāng)量的金屬試劑的使用，到近期催化循環(huán)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，環(huán)丁醇的開(kāi)環(huán)官能化反應(yīng)經(jīng)歷了很大的發(fā)展。即便如此，人們對(duì)環(huán)丁醇的開(kāi)環(huán)反應(yīng)的應(yīng)用研究仍然處于初級(jí)階段，還有許多方面的問(wèn)題亟待優(yōu)化和解決，例如開(kāi)環(huán)反應(yīng)的多樣性、對(duì)映選擇性合成以及其在復(fù)雜分子合成中的應(yīng)用等。這些挑戰(zhàn)也將成為今后的環(huán)狀骨架化合物開(kāi)環(huán)反應(yīng)的研究重點(diǎn)。
[1]張煥君,程學(xué)瑞,任宇芬,朱祥,袁朝圣. 環(huán)丁醇溫致相變的原位拉曼光譜研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析,2016,02:408-412.
[2]晏宏,朱晨. 環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)官能化反應(yīng):通過(guò)C—C鍵斷裂區(qū)域選擇性構(gòu)建γ位取代脂肪酮的新策略[J]. 化學(xué)進(jìn)展,2016,01:1-8.
[3]錳催化的環(huán)丁醇開(kāi)環(huán)構(gòu)建γ位疊氮化脂肪酮[J]. 有機(jī)化學(xué),2015,12:2660.
環(huán)丁醇
上下游產(chǎn)品信息
上游原料
下游產(chǎn)品