网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

【J. Am. Chem. Soc.】碳氢键不对称自由基氰化反应开创性进展!低催化剂负载量效果却更好!

0
分享至


脂肪羰基化合物γ‑C (sp³)-H 官能化报道很少,现有工作大多针对 γ‑甲基 C‑H,γ‑亚甲基 C‑H 官能化例子非常有限,对应的不对称版本更是巨大挑战。已知金属催化(Pd、Cu)可将脂肪羰基脱氢得到 α,β‑不饱和羰基化合物,作者设想对脱氢产物开展不对称烯丙位官能化,就能够间接实现脂肪羰基 γ‑C (sp³)-H 的不对称修饰。


近日,深圳大学杨题隆团队与上海有机所刘国生团队合作,在碳氢键不对称自由基转化领域取得进展。 首次实现铜催化缺电子烯烃的对映选择性烯丙位C−H氰化反应。该方法采用一锅串联催化氢化策略,可以简便合成结构多样的 γ‑氰基羰基类化合物,产物收率良好,同时具备优异的对映选择性;使用以往报道的合成手段很难得到该类分子。 底物适用范围广,包含羧酸、酯、酰胺、酮类缺电子烯烃。 【 J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 20240-20253; 10.1021/jacs.6c05474 】


作者开展对照实验、动力学研究、同位素效应实验与密度泛函理论(DFT)计算等机理探究工作,揭示了全新的反应路径。研究发现,以往报道的二价铜结合氮中心自由基(NCR),在极性溶剂中会发生解离,生成游离的氮中心自由基物种。这种由NF试剂产生的游离磺酰胺基自由基具备更强的氢原子攫取(HAA)能力,这是实现缺电子烯烃烯丙位 C−H 键攫取的关键。虽然体系存在副循环,过量的一价铜催化剂会淬灭游离氮中心自由基,但降低催化剂用量可以有效抑制该副反应。因此,使用低催化剂负载量(0.25 mol %),即可实现缺电子烯烃高选择性、高效率的烯丙位 C−H 氰化。该研究展示了调控二价铜中间体和游离氮中心自由基之间相互作用的策略,为多种底物类型的不对称 C−H 键官能化反应开辟新思路。

反应条件优化

以缺电子烯烃1a 作为模板底物,NF‑1作为氮中心自由基前体,CuOAc/Box 配体 L1 催化体系开展条件筛选。


催化剂负载量效应:在六氟苯溶剂中无论催化剂高低负载均无反应;丙酮溶剂条件下,高铜负载(5 mol %)得不到目标产物,降低铜负载有利于反应,0.25 mol % CuOAc 取得最优效果。

注意:直接得到的烯丙基氰产物 2a 不稳定,硅胶柱纯化时易异构化为乙烯基腈,发生消旋。因此不分离 2a,粗产物直接 Pd/C 催化氢化得到还原产物 3a,0.25 mol % 铜条件下,3a 核磁收率 59 %,ee 值 74 %。

溶剂筛选:乙腈 ,ee 90 %,收率 45 %;叔丁醇,收率 78 %,ee 仅 59 %;ᵗBuOH/MeCN 混合溶剂,收率 82 %,ee 90 %;混合溶剂降温至 0 ℃:ee 提升至 94 %,收率略微下降至 75 %。

NF 类氮自由基前体筛选:NF‑1(α,α‑二甲基苄胺衍生)效果最优;叔丁胺、金刚烷胺的 NF‑2、NF‑3 反应活性很差;改变芳基磺酰基 NF‑4 性能与 NF‑1 接近(收率 79 %,ee87 %);增大位阻 NF‑5、NF‑6 收率下降至 53 %、55 %;不同 NF 试剂对反应对映选择性影响不大。

底物拓展 α,β‑不饱和酰胺类底物,氰化后还原制备 γ‑氰基酰胺


N‑烷基取代酰胺底物:产物 3a‑3c 收率 63‑84 %,ee89‑90 %;

N‑芳基酰胺:3d‑3i 收率良好,ee82‑90 %;含吡啶、喹啉杂芳环(3j、3k)同样兼容;叔酰胺底物 3l 也可反应。

改变双键侧烷基取代:产物 3m‑3t,ee87‑92 %;位阻增大会降低活性,3n 收率仅 49 %;卤素、酯基、邻苯二甲酰亚胺等官能团耐受;氢原子攫取专一发生烯丙位,杂原子邻位 C‑H 不受影响。

α,β‑不饱和羧酸酯:产物 3u‑3w,ee85‑91 %;将温度降至 0 ℃可以小幅提高对映选择性。

三取代烯烃直接制备 手性三取代烯丙腈


三取代缺电子烯烃可以顺利反应得到 2aa‑2af, 该类手性三取代烯丙腈产物足够稳定,可以硅胶柱分离, 收率和对映选择性良好;2aa、2ab、2ae 反应优先在位阻更小的烯丙碳发生 HAA,位点选择性优异;环状烯烃 2ad、2af 位点选择性中等(5.6:1 ~9:1)。

复杂分子后期修饰


将药物、天然产物衍生的复杂底物进行反应:奥沙西泮(3x)、樟脑酸(3y)、雄甾烷醇酮(3z)、环贝特(2ag)、舒巴坦(4a)均可发生不对称烯丙位氰化;多数产物 ee/de 约 90 %,酯、醚、酰胺、砜官能团均兼容。

合成应用与产物转化


脂肪羧酸 γ‑C (sp³)-H 不对称氰化一锅流程:结合 Pd 催化羧酸脱氢得到 α,β‑不饱和羧酸,接着本反应烯丙氰化,再 Pd/C 氢化,一锅实现饱和羧酸的 γ‑C‑H 氰化,得到产物 7a‑7d,收率和对映选择性良好;底物 7d 表现高度位点选择性,仅攫取烯丙亚甲基的氢。


除酰胺、羧酸酯外,α,β‑不饱和酮、α,β‑不饱和磷酸酯同样适用,得到腈 9、胺 11,ee88‑90 %。

产物衍生转化:

酯类烯丙氰产物 2ai 经 Raney‑Ni 同时还原双键与氰基,再环化得到内酰胺 12,收率 62 %,ee89 %; 2aj 氰基还原、Boc 保护得到 Boc 保护的胺,得到 13a 收率 66 %,ee91 %;3t 使用 TiCl₄脱除 α,α‑二甲基苄基保护基,得到 13b,不损失对映选择性。


克级放大:模板底物 1a 放大至 6 mmol 规模,产物 3a 收率、ee 值与小试保持一致;后续脱保护还原得到 13c。

机理研究 一、实验证据证明游离 NCR 参与反应


环状底物 2ad 位点选择性 C3:C6=5.6:1,显著低于过去高铜负载条件下铜结合 NCR 主导的体系。低铜负载条件下,无论非极性苯还是极性乙腈,位点选择性接近;使用无金属光促 N‑S 试剂产生游离 NCR,得到几乎一致位点选择性。


富电子底物 16 改变铜负载实验:苯溶剂中提高铜负载位点选择性大幅升高,乙腈中催化剂浓度改变位点选择性变化很小,和无金属游离自由基体系结果接近。


自由基环化探针实验:非极性溶剂(六氟苯、氯苯、二氯甲烷)有明显手性诱导,极性乙腈得到消旋产物。


以上全部实验与过去高铜负载、非极性溶剂中铜结合 NCR 主导体系行为完全不同,证明本标准条件(极性乙腈 + 低铜负载),活性物种是游离氮中心自由基 NCR。 机理解释:乙腈极性溶剂可配位 Cu (II),促使 NCR 解离;NF 试剂远过量(相比铜催化剂 1200 倍),竞争铜的配位点,促进释放游离 NCR。游离 NCR 拥有更强 HAA 能力,可以处理 BDE 更高的缺电子烯烃烯丙 C‑H。使用位阻更大 NF‑5 试剂,可进一步优化 HAA 位点选择性,C3:C6 达到 10:1。
二、动力学研究

分为两组动力学:①无烯烃底物,研究副循环;②加入烯烃 1b,研究主催化循环。


副循环动力学(无烯烃底物,CD₃CN,¹H‑NMR 跟踪):NF‑1 消耗速率≈TMS 保护磺酰胺 21 生成速率;副循环对铜浓度接近二级,对 NF‑1 饱和动力学,对 TMSCN 零级。


加入烯烃 1b 主反应动力学:NF‑1 消耗速率高于目标氰化产物 2b 生成速率,说明大量 NF‑1 被副循环消耗;主反应对 NF‑1 饱和、对 TMSCN 零级;基于产物生成速率铜为一级,基于 NF‑1 消耗铜为 1.4 级,解释为主循环(一级铜)和副循环(二级铜)两条路径并行竞争;烯烃底物 1b 表现饱和动力学。

TMSCN 零级说明 Cu (II) 与 TMSCN 转金属化快,不是决速步;副循环二级动力学说明副循环决速步涉及两分子铜物种参与。酰胺底物中微量原位生成 HCN,降低 SET 能垒,加速反应。
三、副循环路径



实验支持Cycle B1 为主要副路径:SET 生成游离 NCR,被 Cu (I) 捕获,得到两分子 Cu (II)‑氰中间体;两分子 (L1) Cuᴵᴵ(CN)₂发生双分子还原消除释放氰气,再生 (L1) CuCN 催化剂。

UV‑vis 光谱证实乙腈中催化体系 95 % 铜以 Cu (II) 存在;化学计量实验也支持 Cycle B1,双分子还原消除是副循环的决速步。副循环会消耗游离 NCR,消耗氧化剂 NF‑1,降低主反应效率。降低 Cu (I) 浓度,就可以减慢副循环自由基捕获步骤,提升主反应竞争优势。

四、 DFT 理论计算


Cu (I)‑氰配合物 I 被 NF‑1 发生 SET 生成 Cu (II) 结合 NCR II,能垒 21.1 kcal/mol;在乙腈中 NCR 从 Cu (II) 解离热力学有利(ΔG −2.5 kcal/mol),解离能垒仅 8.3 kcal/mol,证明很容易生成游离 NCR。


游离 NCR 有两条竞争不可逆路径: 主路径 HAA 攫氢,能垒 15.2 kcal/mol;副路径被 Cu (I) 捕获进入副循环 B1,能垒 16.4 kcal/mol。HAA 动力学略占优势;两条路径速率比受 Cu (I) 浓度调控,降低铜负载显著压制副循环。


HAA 产生烯丙自由基,再和 (L1) Cu (CN)₂交叉偶联,能垒 10.4 kcal/mol;SET 过程是主催化循环决速步,与动力学铜一级的结果吻合。

副循环 B1 中,(L1) Cuᴵᴵ(CN)₂歧化步骤能垒 23.2 kcal/mol,高于初始 SET 的 21.1 kcal/mol,歧化为副循环决速步,和副循环对铜二级动力学一致。原位由酰胺与 TMSCN 生成 HCN,可以将 SET 能垒从 21.1 kcal/mol 降低到 20.0 kcal/mol,解释酰胺底物加速反应的现象。

五、完整催化循环


  1. (L1) Cu (I) CN 被 NF‑1 单电子氧化,得到 Cu (II) 结合 NCR,快速解离释放游离 NCR;

  2. 游离 NCR 发生 HAA,攫取缺电子烯烃烯丙位氢,生成烯丙自由基;

  3. 烯丙自由基与 (L1) Cuᴵᴵ(CN)₂交叉偶联,得到手性烯丙氰产物,同时再生 Cu (I) 催化剂;

  4. 竞争副路径:游离 NCR 被 Cu (I) 捕获,进入双分子副循环,消耗氧化剂,释放氰;低铜负载抑制该副路径。

本文建立铜催化缺电子烯烃的不对称烯丙位 C−H 氰化反应。该反应铜催化剂负载低,反应效率良好,官能团兼容性广。结合后续氢化步骤,可以高区域选择性与对映选择性合成各类烷基腈。通过串联脱氢‑氰化‑氢化流程,实现脂肪羧酸 γ‑C‑H 键不对称氰化。作者开展对照实验、动力学、光谱分析以及 DFT 计算完成机理研究:和以往报道不同,这套新副循环对催化剂浓度高度敏感。仅通过改变催化剂用量,就可以调节主、副反应的相对速率,抑制副循环,提升氮中心自由基的氢攫取效率。

参考资料:Asymmetric Radical Allylic Cyanation of Electron-Deficient Alkenes with a Low Copper Catalyst Loading: Development and Mechanism;Fangjia Zhang,∥ Tilong Yang,*,∥ Zhongming Cheng, Pinhong Chen, Zhenyang Lin, and Guosheng Liu*;J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 20240-20253; 10.1021/jacs.6c05474


特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
炸了!特朗普马斯克同时爆雷,两大巨头陷致命死局,美国真要变天

炸了!特朗普马斯克同时爆雷,两大巨头陷致命死局,美国真要变天

瞻史
2026-10-29 14:29:25
莫布利公开力挺哈登称外界别总盯投篮,队友信任核心价值远超几记得分需等磨合给答案

莫布利公开力挺哈登称外界别总盯投篮,队友信任核心价值远超几记得分需等磨合给答案

林子说事
2026-10-29 15:40:45
零演员成本掉九成!中国首部AI院线大片上映,演员还能保住饭碗么

零演员成本掉九成!中国首部AI院线大片上映,演员还能保住饭碗么

梦想的现实
2026-10-28 02:13:52
离谱3个11-9!王曼昱零封却全程惊险,两度落后极限翻盘

离谱3个11-9!王曼昱零封却全程惊险,两度落后极限翻盘

林子说事
2026-10-29 10:04:41
首批“新能源汽车”开始换电池了,看到价格,车主都不说话了

首批“新能源汽车”开始换电池了,看到价格,车主都不说话了

沙雕小琳琳
2026-10-28 19:17:12
创历史,日本球员首次在一场德国职业比赛中合计打进4球

创历史,日本球员首次在一场德国职业比赛中合计打进4球

懂球帝
2026-10-29 04:23:44
前国脚批董路!董路回怼:没事指摘我们干嘛?有本事自己花几百万办赛

前国脚批董路!董路回怼:没事指摘我们干嘛?有本事自己花几百万办赛

念洲
2026-10-29 07:20:44
三集不够看!东方卫视今晚开播,这部民国悬疑剧凭什么封神?

三集不够看!东方卫视今晚开播,这部民国悬疑剧凭什么封神?

草莓解说体育
2026-10-29 19:51:22
美国急了,日本急了,菲律宾腿抖了,英法德沉默了。因为他们发现,中国的潜力不止眼前大家看到的这点东西

美国急了,日本急了,菲律宾腿抖了,英法德沉默了。因为他们发现,中国的潜力不止眼前大家看到的这点东西

扶苏聊历史
2026-10-28 14:06:44
泽连斯基:愿以任何形式谈判,准备好讨论敏感与有失公平的议题,但需要美国保持中立

泽连斯基:愿以任何形式谈判,准备好讨论敏感与有失公平的议题,但需要美国保持中立

界面新闻
2026-10-29 13:10:06
高校考核已从新入职青椒向存量教师全面扩展!资深教师因考核不合格,直接从教授降为讲师!

高校考核已从新入职青椒向存量教师全面扩展!资深教师因考核不合格,直接从教授降为讲师!

学术眺望
2026-10-29 14:10:03
23岁抗癌博主“奇迹夏夏”去世:5年历经截肢、25次化疗;确诊后遭父母放弃,独自攒钱治病,选好讣告照片,临终前父母出现送她最后一程

23岁抗癌博主“奇迹夏夏”去世:5年历经截肢、25次化疗;确诊后遭父母放弃,独自攒钱治病,选好讣告照片,临终前父母出现送她最后一程

台州交通广播
2026-10-29 02:41:51
高市麻烦开始了!日本访华终于落地 我国留足情面 中日关系要破冰?

高市麻烦开始了!日本访华终于落地 我国留足情面 中日关系要破冰?

亿通电子游戏
2026-10-29 14:01:40
正式认罪!顶级射手,NBA生涯没了!

正式认罪!顶级射手,NBA生涯没了!

篮球实录
2026-10-29 15:03:47
不结婚老了咋办?北京42岁女子的答案,让全网沉默

不结婚老了咋办?北京42岁女子的答案,让全网沉默

找回密码
2026-10-24 21:15:54
日本乒协发飙:这事不可接受!已经抗议WTT赛程与日本全锦赛重叠

日本乒协发飙:这事不可接受!已经抗议WTT赛程与日本全锦赛重叠

小欣欣聊体育
2026-10-29 19:50:29
雷霆官方:杰伦-威廉姆斯成功接受手术 常规赛结束前将重新评估

雷霆官方:杰伦-威廉姆斯成功接受手术 常规赛结束前将重新评估

北青网-北京青年报
2026-10-29 07:52:01
苏联最后元帅的临终前劝诫普京:俄罗斯的未来,答案在中国

苏联最后元帅的临终前劝诫普京:俄罗斯的未来,答案在中国

磊子讲史
2026-10-22 14:31:36
太卷了!上海黄浦招94个社工,涌进北大复旦毕业生,网友:这学历干居委会图什么

太卷了!上海黄浦招94个社工,涌进北大复旦毕业生,网友:这学历干居委会图什么

聊斋新志
2026-10-28 16:17:57
美国卫星在90公里外拍下中国空天飞机,还拍到它对接了另一颗卫星

美国卫星在90公里外拍下中国空天飞机,还拍到它对接了另一颗卫星

科学边界哦
2026-10-28 23:59:28
2026-10-29 20:47:00
有机合成
有机合成
介绍分享有机合成方面的知识,经验总结,学习资料,奇闻趣事等等
1086文章数 5关注度
往期回顾 全部

科技要闻

MacBook终于能触屏了:22999元起

头条要闻

美国中期选举临近 特朗普连跑红州20次奥巴马出山压阵

头条要闻

美国中期选举临近 特朗普连跑红州20次奥巴马出山压阵

体育要闻

超级黑马!球队不败 29岁的他得分榜前三

娱乐要闻

白百何被曝和二婚丈夫离婚 和男生逛街

财经要闻

两大娱乐巨头,谈崩了

汽车要闻

阿维塔07L Max纯电版上市 限时权益后21.59万元

态度原创

家居
游戏
数码
本地
公开课

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

《逃离塔科夫》开放感染区《竞技场》加入近战模式

数码要闻

显卡价格太荒诞:单卡比整机还贵30%!用户直接买整机拆卡

本地新闻

十月奔赴迪庆,解锁梅里日照金山

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版