Nature Catalysis：剑指Fe催化

微著

2020-12-19

第一作者：Liang Ge, Huan Zhou, Mong-Feng Chiou

通讯作者：鲍红丽、张欣豪

通讯作者单位：福建物质结构研究所、北京大学

烯烃的碳叠氮化是将烃类分子直接合成含氮有机分子的有效方法，生成的含叠氮基有机分子在医药、材料学领域应用广泛，虽然目前碳叠氮化反应正快速发展，基于不对称自由基过程的碳叠氮化反应仍有较大挑战.

有鉴于此，福建物质结构研究所鲍红丽、北京大学深圳研究生院张欣豪等报道了一种自由基不对称碳叠氮化反应，通过铁催化官能团转移方法，从工业化学品出发实现了合成手性含卤有机叠氮分子，作者通过机理研究验证该反应通过自由基过程实现,该研究发现为发展对映选择性自由基反应提供经验和指导。

图1. Fe催化弱相互作用手性催化

困难和挑战

自由基物种无法通过共价、配位、离子、氢键等传统的中等/强相互作用控制立体结构方法，导致自由基催化过程中的立体结构难以控制。

自由基叠氮化反应速率非常快，因此需要快速在叠氮反应完成前识别手性，当催化剂和底物自由基物种之间没有相互作用时该过程更难以实现。

图2. 碳自由基叠氮化反应中的选择性问题

设计理念

作者发现通过将叠氮官能团限域在催化剂的刚性手征空间配体，能够提高M-N₃物种中间体的寿命，在叠氮反应中实现选择性（通过π键相互作用、van der Waals相互作用弱相互作用能）。

图3. Fe催化烯烃碳叠氮双官能团化反应条件筛选

通过三齿NON螯合物配体控制弱相互作用，这种螯合物配体中含有准大环结构，其中的平面芳基能够与底物产生相互作用，两个芳基保护叠氮官能团/控制叠氮反应的位点选择性。通过对配体中的立体结构进行控制，增加螯合配体中的立体位阻，改善反应立体选择性。

以1倍量苯乙烯（1）、1.5倍量TMSN₃（2）、1.5倍量CBr₄（3）作为底物，在1 mol % Fe(OTf)₂/1.5 mol % 配体L3（HAIXI-tBu）作为催化剂体系的过程中，加入2倍量过氧化十二烷酰（LPO），在乙醚中N₂保护中室温反应，以82 %的收率和94:6的e.r.得到目标产物。

催化反应机理

该反应首先通过碳自由基向烯烃底物的双键加成，随后Fe(III)-N₃中的N₃官能团转移到苄基自由基上，通过van der Waals作用和Fe/手性NON螯合配体形成的刚性手性空间π键相互作用实现对自由基的立体结构控制。该过程通过弱相互作用实现了对立体选择性的控制。

图4. 催化反应机理

通过HRMS方法表征了关键中间体物种，在此基础上提出了反应机理。铁催化剂A Fe(NON)X₂ (X=OTf, OCOC₁₁H₂₃)首先通过和TMSN₃进行配体交换，生成中间体B Fe(NON)XN₃，同时生成TMSX。在酰基过氧化物LPO和B之间通过单电子转移，生成关键中间体物种Fe(III)-N₃ C，同时酰基过氧化物生成烷基自由基D，随后D抓取烷基碘化物中的碘，生成氟烷烃自由基E和苯乙烯分子加成，得到苄基自由基物种F,通过Fe^III-N₃和苄基自由基F的偶联生成产物。

参考文献

Liang Ge, Huan Zhou, Mong-Feng Chiou, Heming Jiang, Wujun Jian, Changqing Ye, Xiaoyan Li, Xiaotao Zhu, Haigen Xiong, Yajun Li , Lijuan Song, Xinhao Zhang* and Hongli Bao *.Iron-catalysed asymmetric carboazidation of styrenes, Nat. Catal. 2020

DOI: 10.1038/s41929-020-00551-4

https://www.nature.com/articles/s41929-020-00551-4