方法|Beller团队Nature Catl.:铁催化端环氧乙烷区域选择性水解

引言

第一作者是Weiping Liu
通讯作者是Matthias Beller
该研究报道了铁催化端环氧乙烷区域选择性水解在温和条件下制备醇的方法
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 简介

伯醇在生命科学(药物、农业、香料和香精等)和化学工业(大宗、精细化学品)中具有广泛的应用。因此,开发有效的方法制备伯醇,不仅有科研上的意义,在实际生活生产中也具有重要的价值。

过去数十年,人们报道了许多通过烯烃制备伯醇的方法。例如:

1a) 通过三种金属催化的反-马氏水合作用,实现了端烯到伯醇的转化
1b)在实验室中,应用最为广泛的方法是:烯烃经过硼氢化-氧化反应(详见硼氢化人名反应),实现端烯的选择性水合,制备相应的伯醇

1c)烯烃经过氢甲酰化、氢化的连续操作,可以将端烯转变为延长一个碳的伯醇

虽然上述的方法都有广泛的应用价值,但是也存在不少问题。例如:

催化反应中,应用了大量的贵金属,导致反应成本高

硼氢化反应,通常需要用到化学计量的硼试剂,使得该反应难以在工业化中应用

氢甲酰化-氢化,是一个很好的工业化操作过程,但是,反应的区域选择性的控制,是一个非常需要注意的问题

为了克服上述反应类型存在的问题,作者期望开发一个更为简便有效的制备伯醇的方法。

经过研究,作者认为对端环氧化合物的选择性水合作用,经历一个反马氏加成,即可实现相应的伯醇的制备

在这个设想过程中,主要存在的挑战有:
端环氧乙烷中C-O键的选择性断裂问题:这将会生成伯醇和仲醇
此前报道使用多相催化剂Pd/C,该反应仅对芳基环氧乙烷类型有效,并且主要得到仲醇产物;还有报道通过Raney Ni催化氢化制备伯醇,但是该反应需要高温高压下进行,并且该类型催化剂使用过程中极容易起火
使用均相催化剂进行,目前报道的仍然是以贵金属的为主,并且反应的选择性差,收率低
以上这些都是急需要解决的问题
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反应探索

作者首先以苯基环氧乙烷1a和正丁基环氧乙烷1b为模型底物,探索了一系列催化剂的反应条件:
结果表明,Fe(BF4)26H2O为催化剂时,反应体系中加入三氟乙酸,芳基和烷基环氧乙烷,都可以高收率获得相应的伯醇
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适用范围

研究获得最佳反应条件后,作者开始将该方法进行底物适用性研究:
苯基环氧乙烷底物,苯环上无取代基、富电子、缺电子取代基,在优化反应条件下,均可以制备获得相应的伯醇;并且可以看到,即使是强吸电子的三氟甲基,反应也有56%的收率
位阻较大的环氧化物,也可以优秀收率制备相应的伯醇
底物中存在脂基、酰胺、酮或者是端基烯烃时,反应都有良好的官能团容忍性,反应收率好
当反应底物是烷基环氧乙烷时,收率中等至优秀;位阻和官能团对反应影响不大
进一步的,作者还对该反应进行了较大规模的应用,50 mmol苯基环氧乙烷反应后,可以制备得到87%的2-苯基-1-乙醇,这表明该反应具有大规模应用价值

接着,作者应用该反应,对一些结构复杂的化合物进行衍生化应用:

结果表明,该反应还可以对结构复杂的天然化合物进行官能团化修饰,有利于进行潜在药物分子的修饰与拓展

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适用范围

最后,作者还对该反应进行了相应的机理研究:
由这些研究,可以看到反应,底物随着反应进行不断消耗,先生成醛,接着随着醇的生成,醛和底物都逐渐消耗转化,最终获得相应的伯醇产物
经过控制实验与氘代反应,表明该反应的机理历程可能是:首先发生分子内开环重排,得到醛;接着在催化剂作用下,进行加氢,生成相应的伯醇

评述

作者通过广泛的研究,使用简便易得的催化剂与四齿配体Tetraphos,实现了端环氧乙烷的选择性开环氢化,制备得到相应的伯醇
该方法具有非常广泛的底物适用范围,并且对多种官能团具有优异的兼容性;还可以应用于结构复杂化合物的修饰。由此可见,该反应具有重要的科研意义与生产实际应用价值
化解 chem,一起全合成
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