金催化环化反应综述

金催化环化反应周小凡51140606164一、前言金一直被认为是化学惰性的金属，由于其化学惰性和难于高分散，一般不被用来作为催化剂。20世纪70年代末以前，人们也曾考察过多种含金催化剂，但未发现它比其它贵金属催化剂具有更好的催化性能。至80年代后期，Haruta发现负载型金催化剂具有很高的低温CO催化氧化活性，并具有其他贵金属不具有的湿度增强效应，打破了认为金没有催化活性的传统观念，致使人们对其催化特性产生了极大兴趣和关注。近年来,金的配合物受到了广泛的关注。经大量成功反应实例表明,三苯基膦等各种电子给予体与金形成的配合物具有高催化性能,现已逐步应用于有机合成中。金有两种稳定的氧化态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C—C重键(包括双键和三键),也可以作为亲电试剂进攻C=X。金是一种过渡金属,对炔烃、芳烃、二烯烃及单烯烃,显示出高电子亲和力;作为Lewis酸同时也是一种具有活性的亲电试剂。文献报道了各类金催化剂催化环化，笔者按照环化底物和环化类型的分类，选择一些最近金环化的代表性的例子，主要包括（1）1，n烯炔类化合物环化；（2）烯炔类化合物[m+n]环化；（3）炔类化合物环化。二、1，n烯炔类化合物环化1，n稀缺类化合物是金催化环化应用最为广泛的底物，Echavarren在这个领域有着开创性的工作，应用了阳离子金催化剂在有机化学领域开展了各种高效的合成方法和应用。1，n烯炔类化合物在金催化剂作用下能够看到骨架的重排反应而且优于钯催化和铑催化。至今为止，Echavarren，zhang，toste，和其他人在烯炔的不对称催化环化方面都有比较突出的工作。此综述挑选了一些在这个方面的比较有代表性的例子。较早的2004年，toste小组报道了1,5烯炔类化合物环化[1]，这个反应使用了PPh3AuCl为催化剂，合成了具有dr值较高的双环[3.1.0]己烯产物。发展了这一类高效的立体专一性较好的金催还环化反应，这个反应的机理可能是金催化剂亲核加成到炔上，然后生成环丙烷卡宾中间体，并且发生了1,2-质子转移，这个反应的立体选择性和立体专一性取决于半椅式过渡态，与炔基的Cope重排反应类似。同样的，在2006年，toste小组报道了一种室温下以[(Ph3PAu)3O]BF4作为催化剂[2]，二恶烷作溶剂，1,5-烯炔类化合物与1当量的水作用合成二氢吡喃化合物，且生成的产物有较高的选择性，为合成具有天然活性的产物迈下坚实的一步，这个反应的机理是金催化剂亲核加成，然后发生6-endo-dig环化。在2010年[3]，M.Echavarren小组又发现一类1,6-烯炔类化合物在配体金催化剂的作用下得到1,3-二取代萘类化合物，这个反应是金亲核加成，然后发生6-endo-dig环化，在发生1,2-质子迁移，然后发生裂解发生得到产物。2012年，张俊良老师课题组发展了一类以烯炔肟类化合物为原料[4]，甲醇为亲核试剂，IPrAuCl/AgSbF6作为催化剂，合成N-甲氧基吡咯化合物，提供了一种比较安全、温和、简单的合成N-甲氧基吡咯类化合物的方法。同样的，在2012年[5]，toste小组发现了一种以手性阳离子金属催化剂催化烷硅氧基烯炔类化合物对映选择性环化的反应，ee值超过90%，这类反应经过5-endo-dig或者5-exo-dig环加成过程，得到一种很有用的环外甲基的五元环产物或者得到环戊烯产物，同样证明了这类底物能过与烯类化合物作用得到一种双环[3.3.0]辛烷产物，得到双环产物的机理可能是金催化剂亲核加成再经过两次环化反应得到产物。在2014年[6]，张俊良老师课题组又发展了一类以手性金催化剂催化1,6烯炔类化合物合成具有选择性的双环[3.1.0]己烷类化合物。在这个转换的过程中，N-氧化喹啉的辅助作用对反应的对映选择性起到了一个非常重要的作用，这个反应可能的机理是先金催化剂亲核加成然后N-氧化喹啉加成，再发生5-endo-dig和环丙烷化反应得到产物。Toste’swork20122015年[7]，toste小组又发展了一种金催化剂去芳构化环化的一类型反应，这个反应使用了吲哚炔类化合物做底物，应用手性配体金催化剂，室温下很快就可以得到产物环戊二烯并吲哚，这类反应之前报道较少，因此具有开创性的意义，而且显示出金配体催化剂在催化吲哚炔丙酸酯类化合物环化和吲哚丙炔缩醛类化合物环化之间的巨大差距，这个反应的机理是先金催化剂亲核加成，然后跟缩醛的氧发生亲电加成环化，然后裂环脱去一分子乙醛，再发生Nazaro环化就可以得到产物。Toste’swork(2015)1,n烯炔类化合物的环化发展较快，从最开始的简单的环化过程到现在的选择性环化，从比较简单的金催化剂到现在发展的大量的不同构型的手性金催化剂，发展这些新型合成方法对金催化来说意义重大。三、烯炔类化合物[m+n]环化相较于应用最为广泛的1，n烯炔类化合物环化，金催化的[m+n]环加成反应是另外一类发展也是极为快速的环加成类型。这类底物比较广泛，有烯和炔的环加成、烯和联烯的环加成、烯酸酯转换成联烯和烯的环加成、硝酮和炔酮的环加成反应等类型，也是金催化中的一个比较热门的领域。较早的2007年[8]，M.Echavarren小组发展了一类以1,8-二烯-3-炔类化合物为底物，室温在金催化剂的作用下进行5-exo-dig的[4+2]环化过程生成八氢茚的反应，同时在有些底物中观察到有少量的6-endo-dig产物产生，这个反应同样可以放在微波炉中加热反应。同样在2010年[9]，Rai-ShungLiu小组以邻丙炔基苯甲醛和乙烯基乙基醚，室温在金催化剂的作用下合成桥环化合物的反应，这个反应显示了[4+2]环加成的构建这种类型的骨架的可行性。同样在2010年[10]，toste小组发现了一类以丙二烯二烯烃在金催化剂的作用下选择性的[4+2]环加成反应，不对称催化合成茚和吡咯产物，而且取到了良好的产物和较好的立体选择性，对于不对称金催化环加成反应是一个比较重要的发展。在2012年[11]，SeunghoonShin小组以炔丙酸和烯烃为底物，JohnPhos氯化金为催化剂，[4+2]环加成反应得到六元环内酯产物，DFT表明这个反应不是经过环丁烯中间体，这个反应的独特的立体专一性是经过一个σ-键的重排的立体空间作用。在2008年[12]，toste小组发现一个分子间的[4+3]环加成反应，底物是炔酸酯和N-苯基胺，催化剂是PicAuCl，室温下反应就可以得到氮杂环庚二烯产物，并且发展了这一类产物，而且可以用于材料上，这是罕见金催化的分子间的[4+3]环加成反应，在这一类反应中非常的突出。然后再2009年[13]，该小组又发表了一篇文章，这个反应比较有趣的是，同样的底物丙二烯二烯类在不同的金催化剂的作用下发生完全不同的[4+2]和[4+3]的环加成反应，他们证明了这两种加成方法的反应机理，这个反应的机理是经过亲核加成形成卡宾中间体，然后亲电加成得到一个含正负离子中间体，最后发生分子内环化就可以得到产物。在2010年[14]，M.Echavarren小组发表了一篇关于分子间的[2+2]环加成反应的文章，这个反应以炔和烯为底物，金催化剂催化下得到环丁烯产物，使用了比较特殊了有大空间维族的手性金催化剂，这个反应显示了一个不存在强加于分子间的作用力的情况下，仅仅依靠金催化剂得到环丁烯产物，这个反应成功的关键是在烯烃存在的条件下应用了大空间的配体活化炔基，发现了这样一种新的分子间环化的新方法。同样的在2011年[15]，PhilipWaiHongChan小组发现了一类分子内的[2+2]环加成的反应，以1,7稀缺苯甲酸盐为底物，金催化剂作用下得到氮杂双环[4.2.0]5-辛烯，反应中伴随着1,3迁移的步骤，同样使用了含有大空间的配体的金催化剂，这个反应可以用来合成许多化学药物的骨架，而且是非典型的1，n烯炔化合物环异构化作用，具有十分特殊的意义。2011年[16]，张立明教授课题组发展了一种[2+2+1]分子间环加成反应合成2,5-二取代恶唑类化合物新方法，其应用的底物是炔和腈类化合物还有氧化剂，这个反应条件温和，而且底物较广，甚至包括比较复杂和昂贵的腈类化合物，仅仅需要3个当量的腈类化合物而且不需要任何溶剂，只需要1%的BrettPhosAuNTf2催化剂，而且产率非常的好，因此这种反应非常的重要，是一种优势反应。2011年[17]，Rai-ShungLiu小组发现一种氧化还原的分子间[2+2+1]环加成反应，这个反应以邻乙炔基硝基苯和烯烃为底物，以PPh3AuNTf2为催化剂，得到立体选择性的产物，这是一个经过卡宾中间体的反应，这类型的反应迄今为止较为少见，这个反应的机理是先金催化剂亲和加成，再亲电加成形成六元环亲烯体，再与烯烃发生加成反应最后脱去配体催化剂就可以得到产物。在金催化的[m+n]环加成反应的这个领域，M.Echavarren和toste等小组都做出了非常大的贡献，这类型反应能够合成具有特殊骨架的产物，使用了手性金催化剂大体都基本都有较好的立体选择性，这类型的反应发展较快，而且应用广泛。四、炔类化合物环化炔类化合物也是金催化环化的一个重要研究范围，炔类化合物原料来源广泛且易制备，其与金催化剂配位的时候会有两个亲核进攻位点，因此大多数炔类化合物在金催化环化的时候会产生两种进攻方向，得到两种不同的环状化合物，因此这类方向吸引了很多人的兴趣，合成具有特殊功能的骨架手性金催化剂选择性环化是比较核心的研究方向。在2010年[18]，成都生物研究所姬建新小组报道了一种比较温和的制备方法来制备丁烯羟酸内酯，丁烯氢酸内酯骨架存在超过13000个自然化合物，其中包括抗生素、抗菌素、防污、抗癌等，因此寻找构建这种骨架的方法吸引了很多人的兴趣。该小组使用炔烃、胺和乙醛酸做底物，在三溴化金的作用得到丁烯羟酸内酯产物，这个反应使用了较为简单的金催化剂在室温条件下就得到了产物，优点比较明显。同样在2010年[19]，FabienGagosz小组发展了金催化剂作用的炔烃的加氢烷基化反应，这类化合物立体选择性成五环或者六环的关键是炔氢化合物种类的不同和化合物的空间位阻。这个研究发展了一种新型环异构化的作用，而且显示氢质子转移在环化中的作用。2013年[20]，toste小组发表了一篇金催化的炔类化合物对映选择性环化，使用了(DTBM-MeO-Biphep)-AuCl这种配体金催化剂，这个反应得到较高的产率和极好的ee值，这类方法可以用来合成具有光学活性的3-甲氧基环戊烯酮类化合物，这个反应的机理可能是形成的手性乙烯基金中间体的对映选择性环化。该小组在2014年又发表了一篇关于金催化的炔类化合物环化的文章[21]，这个反应使用取代氧化吡啶和炔为底物，在PicAuCl2的作用下得到吡唑产物，得到的是一个吡啶并吡唑骨架，由于吡唑类化合物在大部分生物活性产物和药物存在，因此该反应意义重大，而且在骨架的构建的过程中光学活性不会消失，因此可以用来广泛合成这种类型的产物。这个反应可能的机理是经过一个亲核加成生成卡宾的金属中间体，再进行亲核加成，最后脱水环化。同样，在2014年[22]，张俊良老师课题组发表了一篇炔基羟胺化合物在IPrAuNTf2的催化下环化生成吡咯的产物，吡咯是许多天然产物和药物的骨架，这个反应的亮点之一是带有取代三氟甲基，如何改进和增强的生物活性也比较吸引人的注意，使用现成的原来哦寻找简单高效构建这样一个带有一个特定位置的三氟甲基的产物具有什么重要的意义。二炔化合物也是金催化环化使用的比较广泛的底物。在最近的2012年[23]，张立明教授小组发表了一篇邻苯二炔类化合物在金作用下分叉环化的文章，这篇文章使用的是BrettPhosAuClNTf2作为催化剂，得到两种三环化合物，这个反应最可能的机理两分子的金催化剂一分子亲核加成到炔键形成乙烯基中间，另外一分子跟端炔氢发生取代反应，然后发生5-endo-dig环化，形成五元环环外烯丙基中间，再环化一次得到三元环产