圖式12? 銠催化硼酸和NCTS氰基化反應合成氰 圖式12.? Rhodium catalyzed cyanation of boronic acids with NCTS for the synthesis of nitriles ???? 氰胺類化合物作為一類重要的親電氰基化試劑, 已被廣泛應用于合成具有高應用價值的氰基化合物.常見的親電氰基化試劑有1-氰基苯并三唑[42]、1-氰基咪唑[43]、N-氰基丁二酰亞胺、1-氰基苯并咪唑[44]、N-氰基-N-苯基對甲苯磺酰胺(NCTS)[45]和二烷基氰胺[46]等, 其中N-氰基-N-苯基對甲苯磺酰胺(NCTS)具有毒性低、穩定和實用等優點, 近年來對其反應活性的研究異常活躍.
2011年, Beller和Anbarasan等[45a]以NCTS (81)為氰基化試劑, 發展了[{Rh(OH)(cod)2}]催化硼酸82的氰基化反應合成氰類化合物83 (Scheme 12).相較于金屬氰化物的親核氰基化反應, 該反應避免了使用劇毒試劑; 但反應中往往產生N-苯胺對苯磺酰胺副產物, 反應的原子經濟性低下.結合已報道的銠催化芳基硼酸和不飽和鍵的加成反應機理, 作者推斷以下反應過程:芳基硼酸和銠發生金屬轉移生成芳基銠A, A接著和NCTS配位產生絡合物B.然后, B進行分子內的芳基轉移產生芳基脒絡合物C.最后, C發生還原消除生成芳基氰和氨基銠化物D, D在堿性條件和芳基硼酸反應再生成銠活性催化劑形成催化循環.同年, 他們又將NCTS應用至和格氏試劑的親電氰基化反應中合成各種芳基氰, 反應中格氏試劑通過鎂試劑和芳基溴化物的反應原位生成[45b]. 4年后, Gosmini等[45c]報道了CoBr2/Zn促進芳基溴和NCTS的氰基化反應.作者通過實驗證實, CoBr2首先催化芳基溴先和Zn反應生成芳基鋅試劑, 接著再催化芳基鋅試劑和NCTS進行交叉偶聯生成芳基氰.反應對酯基、烷硫基、氰基和酮羰基等活性官能團都有良好的兼容性.
圖式12? 銠催化硼酸和NCTS氰基化反應合成氰 圖式12.? Rhodium catalyzed cyanation of boronic acids with NCTS for the synthesis of nitriles
同樣是在2011年, Wang等[45d]以NCTS為氰基化試劑, 在BF3·Et2催化下分別和吲哚及吡咯84發生C—H活化/氰基化反應直接合成氰基化合物85 (Eq. 19).吲哚化合物的反應選擇性發生3-位上, 而吡咯的反應則主要發生在2-位上.相較于官能化芳烴的反應, 本方法直接使用簡單易得的芳雜烴類化合物為原料, 減少對芳烴的官能化操作, 且具有較高的原子經濟性.
2013年, Fu課題組[45e]將NCTS應用到芳烴(86)的導向氰基化反應中, 成功實現C—H活化直接合成芳基氰類化合物87 (Eq. 20).作者發現以肟醚、咪唑、吡啶和吡唑等作為導向基團, 在[RhCp*(CH3CN)3](SbF6)2的催化下都可以實現對導向基團鄰位C(sp2)—H的活化反應合成直接鄰位氰基化產物.該反應對官能團具有良好的兼容性, 羥基、碘、酯、烷硫基和環氧乙環等基團都能在反應中存活.幾乎在同一時間, Anbarasan和合作者同樣以NCTS為氰基化試劑, 發展了[Cp*RhCl2]2催化吡啶基導向的鄰位C(sp2)—H活化氰基化反應合成2-(2-吡啶基)苯甲氰類化合物[45f].這兩種C(sp2)—H活化氰基化反應的發現引起了合成化學家們對過渡金屬催化芳烴和NCTS的直接氰基化反應研究的熱潮.近四年來, 以NCTS為氰基化試劑, 銠催化不同基團導向的鄰位C(sp2)—H活化反應陸續被發現, 如芳基磷酸酯鄰位氰基化反應[45g]、N-酰基吲哚啉的7-氰基化反應、N-(2-嘧啶基)吲哚的2-氰基化反應[45h]、N-(2-吡啶基)吲哚的2-氰基化反應、N-(2-吡啶基)吡咯的2-氰基化反應[45i]和芳基咪唑并[1, 2-α]吡啶的雙氰基化反應[45j]等.
除了作為氰基化試劑, 氰胺還被廣泛用作氨基氰基化試劑, 和不飽鍵發生加成反應合成氰基取代的胺類化合物.
2016年Chien等[47]以銅為催化劑, 催化鄰炔基芳香氰胺88的分子內氨基氰基化反應高效合成3-氰基吲哚89 (Scheme 13).作者提出了以下反應機理:銅先和末端炔反應生成炔基銅A, 接著和氰胺基發生CN基轉移反應生成氰基亞烯基銅中間體B, 最后氨基和氰基亞烯基銅進行親核加成和質子化反應生成目標產物.
圖式13? 銅催化鄰炔基芳香氰胺環化反應合成3-氰基吲哚 圖式13.? Copper-catalyzed cyclization of o-alkynyl arylcyanamides for the synthesis of 3-cyanoindoles
2014年Zeng課題組[48]報道了氰胺和苯炔前體的分子間氨基氰基化反應, 高效合成雙官能分子2-氨基苯甲氰類化合物.在CsF的促進下, 2-(三甲基硅基)苯酚三氟甲磺酸酯(90)和芳基氰胺(91)反應生成2-氨基苯甲氰類化合物92 (Scheme 14).作者對反應過程進行探索, 并提出了以下反應機理: 2-(三甲基硅基)苯酚三氟甲磺酸酯在CsF的作用下脫掉三甲基硅基和三氟甲磺酸基生成苯炔, 苯炔接著和氰胺進行加成及后續的重排和質子化反應產生2-氨基苯甲氰.
圖式14? CsF促進2-(三甲基硅基)苯酚三氟甲磺酸酯和氰胺串聯反應合成2-氨基苯甲氰類化合物 圖式14.? CsF-promoted cascade reaction of cyanamides and (trimethylsilyl)aryl trifluoromethanesulfonate for the synthesis of 2-aminobenzonitriles
除了和炔的氨基氰基化反應, 氰胺還可以和烯烴發生氨基氰基化反應, 這類反應已被廣泛應用于β-氰基胺類化合物的合成, 具有100%的原子經濟性.
2014年Douglas等[49]報道了無金屬Lewis酸促進的分子內雙鍵氨基氰基化反應直接合成2-氰甲基吲哚啉(94) (Scheme 15).作者以[2-(N-對甲苯磺酰基)氰胺基苯基]烯烴(93)為原料, 在B(C6F5)3促進作用下, 實現對氰胺基C-CN的切斷并和雙鍵發生加成反應構建2-氰甲基吲哚啉.基于實驗結果, 作者提出了以下反應機理:氰胺和B(C6F5)3配位生成中間體A, A發生烯烴對氰基碳的親核進攻產生中間體C. C最后發生重排即可生成最終產物和促進劑B(C6F5)3.
圖式15? B(C6F5)3促進分子內烯烴氨基氰基化反應合成吲哚啉 圖式15.? B(C6F5)3-promoted intramolecular aminocyanation of alkenes by cyanamides for the synthesis of indolines
后來, Nakao和其合作者[50]又發展了鈀催化分子內烯烴氨基氰基化反應.他們以N-酰基氰胺(95)為原料, 在CpPd(allyl)和BR43的共同作用下發生烯烴氨基氰基化反應合成吲哚啉96 (Scheme 16).基于實驗結果, 作者對反應機理進行了推斷: N-酰基氰胺和硼烷進行配位生成A, A的氰氨基接著和[Pd0]發生氧化加成生成C. C進行exo–trig順式氨基鈀化反應產生D. D最后發生還原消除反應和硼烷轉移反應生成目標產物、[Pd0]催化劑和絡合物A形成催化循環.
圖式16? 鈀催化分子內氨基氰基化反應合成吲哚啉 圖式16.? Palladium-catalyzed intramolecular aminocyanation of alkenes for the synthesis of indolines
2013年Wang等[51]發展了銠催化芳基乙烯97的分子內β-氰基化反應, 合成2-(2-氨基芳基)烯氰類化合物98 (Eq. 21).作者發現在[RhCl(COD)]2]/DPEphos催化下, 鄰氰胺基芳基乙烯發生N—CN鍵斷裂并和雙鍵發生H和CN交換反應生成(2-氨基芳基)氰基乙烯類化合物.
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