南京大学谢劲课题组Science China Chemistry：双核金催化的环丙烯C-H键官能团化
环丙烯是一类高张力不饱和环状分子化合物，具有较高的反应性和活性。在过去几十年里，过渡金属催化环丙烯重排反应在构建复杂分子骨架方面已经取得了迅猛发展。尽管2005年Gevorgyan小组首次报道了钯催化的环丙烯C-H键芳构化反应，但至今过渡金属催化环丙烯直接C-H键官能团化反应仍然是较为棘手，主要是由于过渡金属所介导的环丙烯反应往往涉及到它的异构化过程。
金催化剂作为一种温和的π路易斯酸，也被广泛应用于环丙烯重排方面（图1a）。直到最近，通过金/银协同催化策略首次实现了环丙烯的C-H键炔基化反应（图1b），而该反应主要依赖于外部强氧化剂的使用。这在一定程度上影响了官能团的相容性和底物的适用范围。因此，在无外在氧化剂情况下，实现金催化环丙烯的C-H键官能团化反应仍然是一种十分理想的合成策略。南京大学谢劲课题组长期致力于双核金属催化的反应研究。最近该课题组发展了双核金催化的双金属试剂的交叉偶联反应，并展示出双核金属独特的催化魅力（Chem 2019, 5, 2718-2730）。在此基础上，该课题组设想具有金-金相互作用的双核金催化剂能否促进金介导的有机卤化物的氧化加成过程，进而实现环丙烯的C-H键官能团化反应。
图1. 金催化环丙烯的有机转化
（来源：Science China Chemistry）
在此背景与思路下，作者通过筛选确定了环丙烯C-H键烯丙基化的最佳反应条件：以5 mol%的双核金配合物（3a），1个当量的Ag3PO4，甲苯作为溶剂，120 ℃条件下反应18小时，以71%的气相产率得到目标产物（4a）（图2）。
图2. 金催化环丙烯C-H键烯丙基化的优化
（来源：Science China Chemistry）
在最优条件下，作者考察了金催化环丙烯C-H键烯丙基化的反应范围（图3）。研究发现，该反应对有利于后续转化的碘（4c）、溴（4d）和OTf（4l）等（类）卤素都具有良好的兼容性。特别是在金催化领域中对氧化剂敏感的三甲基硅基（TMS）也是兼容的（4f）。另外，不管是利用端部还是内部烯丙基溴化物为底物时都可以顺利得到目标产物（4y-4aa）。
图3. 金催化环丙烯C-H键烯丙基化的底物拓展
（来源：Science China Chemistry）
随后，作者又设想易制备的炔基卤化物能否应用于金催化环丙烯C-H键官能团化反应中。考虑到这一点，作者使用炔基碘来替代烯丙基溴。其反应条件的优化结果表明：双核金催化剂3c有利于C-C键的还原消除过程，并获得C-H键炔基化产物（5a）；而双核金催化剂3h更有利于C-I键的还原消除过程，得到C-H键碘化产物（6a）；而单核金Ph3PAuCl会导致产率和选择性明显下降。
在双核金催化剂3c的催化下，作者得到了理想的C-H键炔基化产物（5a-5h）。其中，脂肪族或杂芳基炔基碘化物在该反应中也是耐受的，并以适中产率（5d-5f）得到目标产物。与前人工作相比，该策略并不需要复杂的高碘试剂制备，同时也避免了外部氧化剂的使用。
图4. 金催化环丙烯C-H键炔基化的底物拓展
（来源：Science China Chemistry）
另一方面，作者对环丙烯C-H键碘化反应的适用范围也进行了考察。含有-TMS (6b)、-CO2Me (6c)、-F (6d)、-OTf (6h)、-CF3 (6i)等官能的底物可以以高达83%产率得到目标产物，并且由此获得的产物（6a-6i）也是钯或镍催化的偶联反应中潜在的合成砌块。
图5. 金催化环丙烯C-H键碘化的底物拓展
（来源：Science China Chemistry）
为了深入地了解反应机理过程，作者又进行了以下探究实验（图6）。根据H/D交换的实验结果，作者推测银盐可能起到了碱和卤素清除剂的作用。另一方面，利用双核金中间体（9）与烯丙基溴化物或炔基碘化物进行反应时，也可以得到相应的烯丙基化产物4a（产率为56%）和炔基化产物5a（产率为67%）。这进一步说明双核金中间体（9）可能是该催化循环中关键的金催化剂中间体。
图6. 机理探究
（来源：Science China Chemistry）
在此作者提出了一个可能的机理过程（图7），即在Ag3PO4存在下，分步形成环丙烯基金物种（9），然后其与炔基碘迅速进行氧化加成，生成AuII-AuII中间体（11）。最后，还原消除即可得到相应的C-H键官能团化产物。同时，他们猜测在炔基化或卤化反应过程中，不同的配体（3c和3h）会影响还原消除速率。
图7. 可能的机理过程
（来源：Science China Chemistry）
该项成果近期在线发表于Science China Chemistry的2021 Emerging Investigator Issue。刘凯博士（现浙江工业大学）为文章第一作者，南京大学谢劲教授为通讯作者。详见：Kai Liu, Tingrui Li, Duan-Yang Liu, Weipeng Li, Jian Han, Chengjian Zhu & Jin Xie*. Dinuclear gold-catalyzed C-H bond functionalization of cyclopropenes. Sci. China Chem. 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1031-x.