锰作为地壳中含量第三丰富的过渡金属，在植物光合作用的产氧过程中发挥着重要的作用。目前，锰在有机合成中的应用主要集中于氧化和自由基反应，而锰的金属有机化学（Mn-C）则多局限于当量反应的研究。中国科学院化学研究所王从洋研究员（点击查看介绍）课题组一直专注于解决“锰金属有机催化循环的构建”难题，包括锰催化循环的启动、催化中间体的转化和催化物种的再生等关键步骤，建立了锰金属有机催化的新体系，实现了锰催化的有机合成新反应、新方法（Acc. Chem. Res., 2018, 51, 816-827）。在前期工作中，该课题组和国内外多个课题组基于芳基锰物种（Mn-C_Ar）对炔烃或活化烯烃加成的关键基元步骤，实现了一系列锰催化的炔烃/活化烯烃的氢化芳基化反应；然而，芳基锰物种对非活化烯烃的加成步骤难以发生，导致锰催化的非活化烯烃氢化芳基化反应尚未见报道。另一方面， “官能团配位”策略最近被用来解决非活化烯烃反应活性较低且化学、区域选择性难以控制的问题。例如，铑/钯/镍催化的非活化烯烃与硼酸的氢化芳基化反应使用了烯丙基砜/胺衍生物（图1a）或含有双齿导向基团N-(8-喹啉)酰胺的烯烃底物（图1b）。

最近，王从洋研究员课题组使用“官能团配位”策略，促进了芳基锰物种（Mn-C_Ar）对非活化烯烃的加成基元步骤，首次实现了锰催化的芳基硼酸与非活化烯烃的氢化芳基化反应。烯烃上的多样性官能团如亚胺、吡啶、胺、酰胺和酮等都可以促进该反应的发生，以优异的产率和区域选择性得到δ-或γ-芳基化产物 (图1c)。烯基硼酸也可以应用于该反应，从而实现非活化烯烃的氢化烯基化反应。

图1 过渡金属催化的芳基硼酸与非活化烯烃的氢化芳基化反应

作者选取中间烯烃1a和苯基硼酸2a作为模板底物对反应条件进行了优化，最终发现在MnBr(CO)₅ (10 mol%), K₂CO₃ (1.0 equiv.), THF (0.2 M), 100 ℃和 12 h的条件下以95%的产率和优异的区域选择性得到氢化芳基化产物3aa。在得到反应的最优条件后，作者使用烯烃1a作为标准底物，探索了硼酸的底物范围 (图2)。该反应适用于苯环对位有不同电子效应取代基的芳基硼酸，以优异的产率和区域选择性生成相应的氢化芳基化产物 (3aa-ao)。卤素、CF₃、酯基、氰基、硝基、酮、醛、胺、苯酚、酰胺等官能团均能在反应中得到很好的兼容。间位以及邻位有取代基的芳基硼酸也适用于该反应 (3ap-as)。2-萘基硼酸及杂环芳基硼酸如呋喃、噻吩和吲哚等可以以良好的产率和区域选择性得到目标产物 (3at-aw)。值得一提的是，当使用反式苯乙烯基硼酸作为底物时，反应亦能以97%的产率得到氢化烯基化产物3ax。

图2芳基硼酸的底物范围. [a]无异构体. [b] 36 h.

随后，作者选用苯硼酸作为模板底物探索了烯烃1的底物范围 (图3)。反应对于酰胺氮上的不同取代模式均有很好的兼容性(3ba-fa)。其他烷基取代的中间烯烃也适用于该反应并以良好的产率和区域选择性得到目标产物 (3ga, 3ha)。除了中间烯烃外，端烯和1,1-二取代烯烃也能顺利地得到氢化芳基化产物 (3ia, 3ja)。

图3 烯烃1的底物范围. [a]无异构体. [b] 16 h. [c] 24 h. [d] 80 ℃, 24 h.

为了进一步拓展该催化体系的底物适用范围，作者研究了γ,δ-烯基亚胺5和芳基硼酸的反应 (图4)。结果表明，不同官能团取代的芳基硼酸均能实现γ,δ-烯基亚胺的氢化芳基化反应，水解后生成了一系列δ-芳基酮化合物 (6aa-aj)。间位取代的芳基硼酸和2-萘基硼酸同样适用于该反应 (6ak-an)。另外，该反应对于γ,δ-烯基亚胺上的不同取代基有较好的兼容性，以良好的收率得到δ-芳基酮产物 (6ba-ea)。

图4 锰催化γ,δ-烯基亚胺与芳基硼酸反应的底物范围. [a] 24 h. [b] 120 ℃.

作者进一步发现含吡啶官能团的烯烃7同样适用于该反应体系，成功合成了δ-芳基吡啶化合物 (8fa, 8fb) (图5a)。同时，高烯丙基胺9在该催化体系下也能顺利地生成氢化芳基化产物10 (图5b)，烯烃底物中不需要在氮上引入额外的配位基团。烯丙基酮11也能得到相应的氢化芳基化产物 (12aa, 12ba)，然而当使用高烯丙基酮作为底物时，只检测到微量的氢化芳基化产物 (12ca) (图5c)。

图5 吡啶、胺和酮官能团促进的非活化烯烃氢化芳基化反应

作者提出了可能的反应催化机制 (图6)。芳基硼酸在碱的作用下与MnBr(CO)₅发生转金属过程形成ArMn(CO)₅ 中间体，烯烃1与ArMn(CO)₅发生配体交换，脱去CO的同时生成锰杂环中间体Mn-II。其中的Mn-C_Ar键对烯烃加成得到锰杂环Mn-I，形成不同锰杂环的难易程度是决定该反应区域选择性的关键因素。Mn-I发生质子化并伴随着芳基转金属过程生成Mn-III，随后其与烯烃1进行配体交换生成氢化芳基化产物，同时再生锰杂环Mn-II，进入下一轮锰催化循环。

图6 推测的反应机理

总结

针对芳基锰物种（Mn-C_Ar）对非活化烯烃的加成基元步骤难以发生的挑战，王从洋研究员课题组通过采用“官能团配位”策略，首次实现了锰催化芳基硼酸与非活化烯烃的氢化芳基化反应，以优异的区域选择性合成了一系列δ-和γ-芳基化的酮、吡啶、胺和酰胺化合物。烯基硼酸也适用于该催化体系，高效生成了氢化烯基化产物。

相关成果近日发表在Angewandte Chemie International Edition 上。该工作得到了国家自然科学基金、北京怀柔综合性国家科学中心物质科学实验室和北京分子科学国家研究中心的资助。

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Manganese‐Catalyzed Hydroarylation of Unactivated Alkenes

Ting Liu, Yunhui Yang, Congyang Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202003830

导师介绍

王从洋

https://www.x-mol.com/university/faculty/15536