冯鑫,刘世钊,杨佳琪

(1.新疆科技学院 化工与纺织工程学院,新疆 库尔勒 841000;2.新疆美克化工股份有限公司,新疆 库尔勒 841000)

21世纪有机合成化学重大挑战之一是使用温和的反应条件的高效和绿色经济的方式来选择性合成目标产物。在倡导“绿水青山就是金山银山”新时代背景下,合成化学中最能引起人们兴趣的是选择环境友好且高效的催化试剂来发展分子合成。其中高价碘试剂由于具有类似过渡金属的反应活性,一直受到广泛的关注。高碘试剂已经在大量的合成化学中被用作Hg(II),Tl(III)或Pb(IV)等重金属化合物替代品[1]。在过去的几十年中,有机高价碘试剂已广泛使用在各类有机合成催化剂,甚至在天然产物全合成中的关键步骤也发挥着重要的作用[2-3]。通过大量的实验研究发现高价碘试剂与过渡金属催化剂相比,其通常可以在相对温和的反应条件下进行、环境相对友好、对反应湿度的容忍性好、廉价易得甚至在部分反应中可回收重复使用。以上的这些特性使它成为理想的环保催化试剂,并已用于各类的有机合成转化中。

有机高价碘化合物在反应过程中表现比较突出的特点是其氧化性和亲电性。其通常可以用作化学当量氧化剂参与到反应中,由于这种良好的反应性能使得高碘化合物成为环境不友好的重金属氧化剂中有良好前景的替换物[4]。本文对不同种类的有机高碘化合物及其应用进行了详细的介绍。并对近年来各种高碘化合物在芳烃的碳氢键胺化反应的应用,去芳化反应及其他类型的反应进行分类说明,同时对有机高碘化合物的在绿色合成化学应用发展进行了展望。

1 一些常用的有机高碘化合物

图 1中列举了在日常的有机合成化学中一些具有代表性有机高价碘化合物。

二乙酸碘苯(图11)和二(三氟乙酸)碘苯(图12)可当作高效的氧化剂应用在许多有机化合物的转化中,如醇、烯烃和有机硫化物氧化[5]、重排反应[6]、环化反应[7]和过渡金属催化的碳氢键官能团化反应[8]等。二氯碘苯(图13)是一种氯化试剂[9],[基(甲苯磺酰氧基)碘](图14)俗称Koser′s试剂,可用用于酮类化合物的α-位氧化反应[10]。二芳基碘盐(图15)由于具有良好的亲电性能同时是一个优良的离去基团,化合物5通常可以作为一个多功能芳基化试剂参与到反应活性较低底物的亲核试剂偶联中[11]。2-碘苯甲酸(IBA)(图16)是一个典型的环状高价碘(III) 试剂,它是由2-碘苯甲酸在有机合成中不良的反应活性,从而使其氧化而被探索出来的一种高价碘试剂[12]。三氟甲基苯并多索酮(图17)是由Togni研究小组开发出的一种三氟甲基化试剂,它通常可将三氟甲基这种非常有用的官能团在有机合成中搭建到有机分子中,从而使其部分有机分子具备相应的生理活性[13]。1-[三异丙基甲硅烷基)乙炔基]-1,2-苯并氧醇-3(1H)(TIPS-EBX)(图18)是由Zhdankin 及其同事报道的,化合物8可作为一种适用于多种底物的炔烃转移试剂高效试剂[14]。这些高碘试剂目前都已被广泛运用到许多有机合成反应当中。

图1 一些常见的有机高碘化合物

五价高价碘(V)试剂,例如,2-碘代苯甲酸 (IBX)(图19)、2-碘代苯磺酸(IBS)(图110)和 Dess-Martin试剂(DMP) (图111)也经常被用作各类有机反应中的氧化剂[15]。最近,Wirth和他的团队合成了含有呋喃和噻吩单元的环状碘 (III) 试剂(图112a,b)并在后续的实验中证明了该类化合物的氧化性能,并运用在各种化合物的氧化转化中[16]。与此同时,Zhdankin团队报道了一种高性能的有机高价碘 (V)化合物,2-碘代苯甲酸双酯(图113)的合成,该团队利用IBX与三氟甲磺酸反应,并证明了其能直接应用在碳氢化合物氧化反应当中[17]。

另外,手性高价碘试剂是另一类被广泛关注的立体选择性活性催化剂,它在有机合成中得到了许多令人欣喜的结果。1907年,Pribram在实验室合成出了第一个手性高价碘试剂[18],随后更多具有光学活性的高价碘(III)/(V)化合物被合成出来并应用在有机不对称合成转化中。例如,Ishihara和他的科研团队报道了制备乳酸基C2-轴对称手性碘(III)试剂(图114a,b)的方法,以及把化合物14a,b应用在对映选择性的Kita氧化内酯化合成中,该反应条件下底物的耐受范围更广,产物ee值更可高达92%[19]。

2 有机高碘化合物在有机合成中的应用

有机高碘化合物除了作为氧化剂,它还能参与很多种反应。如双键加成反应,自由基反应,光化学反应,电化学反应等。结合近年来高碘化合物的研究热点,以下将主要对高碘化物参与的胺化反应,去芳化反应和高碘化合物参与的其他类型反应进行介绍。

2.1 高碘化合物参与的胺化反应

胺类化合物在我们生活的许多方面都有广泛的应用。胺类化合物不仅存在于多种具有生物活性的天然产物中,而且在药物化学中也起着至关重要的作用。通常这类反应需要过渡金属催化,研究者们发现不使用金属催化剂,利用高价碘化合物为反应试剂,也可以使碳氢键直接发生胺化反应。

目前利用高碘化合物使芳烃的碳氢键胺化反应是已经发展较为成熟的有机反应之一。这类反应在用高价碘化合物同时可以实现在温和的反应条件进行。Antonchick小组报道一个经典的反应方法,它是没有金属参与的一类碳氢键胺化反应[20]。在使用富电子芳烃与缺电子的氨基衍生物为反应底物时,在高价碘(III)试剂作用下,可以对芳烃的碳氢键进行选择性功能化形成碳氮键而快速获得生物活性化合物的骨架(图2 Ⅰ)。但是该课题组遗憾发现,在相同反应条件下,缺电的芳烃不能实现碳氢键胺化。在后来的研究中,Muniz和同事使用1,2-二碘苯作为预催化剂,使用N-二取代胺类衍生物作为氮源,过乙酸作为氧化剂可以对取代芳烃进行分子间碳氢键胺化(图2 Ⅱ)[21]。 他们发现即使在物质的量分数3%～4%的还原催化剂负载下,反应活性也表现得非常好。他们惊喜发现在此条件下可以实现缺电子芳烃的碳氢键胺化。遗憾的是,缺电子芳烃实现胺化反应中收率普遍较其他类型的芳烃偏低。在机理的研究中他们发现在过氧乙酸的条件下间氧桥联双碘苯(Ⅲ)衍生物的生成。

图2 高碘化合物参与的胺化反应

2022年,Kita小组设计了一种很巧妙的底物,在高价碘催化下实现芳香环的分子内氧化C-H胺化[22]。在本实验中实现了原位生成的高价碘催化剂使用使得分子内碳氢键胺化并且催化剂用量可以达到非常低。当使用1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)作为溶剂的时候可以有更高的收率得到目标化合物。催化剂还显示了非常高的周转次数,证实了其作为氧化有机催化剂的适用性。证实了其作为氧化型有机催化剂的适用性。超价碘的催化作用被证明对合成带有各种官能团的苯并内酰胺非常有效。含有各种官能团,可以应用于形成五到八元环状化合物(图2 Ⅲ)。

2.2 高碘化合物参与的去芳化反应

近年来,随着合成化学的发展,去芳化反应吸引了很多优秀的有机化学家,目前通过去芳化策略合成复杂的天然产物已经被广泛运用。

2020年,Xiong和同事开发了一种对映选择性分子内烷氧基-氧基内酯化反应[23]。使用具有手性C2-对称碘代芳烃作为预催化剂,使用mCPBA和甲醇对3′-羟基-[1,1′-联苯]-2-羧酸衍生物进行去芳构化,进而发生分子内的反应(图3 Ⅰ)。该反应以中等到良好收率合成了功能化环己二酮衍生物,ee值高达52%。在实验中发现醇中烷基的大小起着十分重要的作用,随着碳数的增加,产物的产率降低,但ee值显著提高。同时该小组在实验过程中还发现选择性受取代基位置的影响,邻位和间位取代酚的选择性非常相似,而对氟取代酚的ee值显著提高,他们认为这是由于羧酸盐的亲核特性增加所致。这个实现去芳构化同时发生羟内酯化在之前的研究中鲜有报道。

图3 高碘化合物参与的去芳化反应

高价碘试剂同样可以用于芳香胺的去芳构化反应。2021年,Shimazaki发现了一个使多取代苯胺在手性茚满醇作为预催化剂在水存在的条件下实现了水作为亲核试剂对芳胺进行去芳构化得到了对羟基苯甲酸亚胺类衍生物(图3 Ⅱ),该反应以一般到良好的收率得到了目标产物,但是ee值可高达95%[24]。该小组发现该反应具有良好的底物适用范围,例如氯、溴、甲基、苯基、甲硅烷基和酰胺基团均可使用。此外,在苯环的对位被乙基、甲基、乙酰氧基和甲氧基羰基官能团取代的2-溴代苯胺去芳构化反应在该条件下也可以顺利进行。

2.3 高碘化合物参与的其他反应

伴随合成化学的蓬勃发展,使用高价碘化合物作为催化剂可以实现许多不同类型的转化,限于篇幅难以进行详尽介绍,仅选择具有代表性的几类应用进行简要介绍。Yakura等人开发了一种在温和、高效和友好的催化条件下,氧化裂解四氢呋喃-2-甲醇形成γ-内酯的反应[25]。在该反应中使用了2-碘-N-异丙基苯甲酰胺作为预催化剂,(2KHSO5·KHSO4·K2SO4)作为共氧化剂,在DMF做溶剂的条件下以中等至良好的收率获得γ-内酯的方法。这种方法区别于其他常见获得γ-内酯的方法是由于他没有使用金属催化剂。Hu和他的同事开发了一种使用高碘试剂(Ⅲ)催化芳香族重氮盐发生巴尔茨-希曼氟化的反应(图4 Ⅰ)[26]。他们发现在十分温和的反应条件下三价碘化合物能有效降低该反应的能量活化势垒,并且有很广泛的底物适用范围和官能团容忍性能。他们实现了高价碘(Ⅲ)和三氟化硼乙醚作用下,以优良的产率制备各种芳香族氟化物,目前该反应的机理仍然在研究当中。Zheng等发现了在没有其他酸做助催化剂和当量的氧化剂条件下,双三氟乙酰碘苯(PIFA)可以催化炔丙醇接受C-,O-,S-,N-亲核试剂的取代反应,可以以中等至优异的收率提供炔丙基芳烃/醚/硫化物/酰胺并证明了高价碘(Ⅲ)在炔丙醇类化合物和炔丙基三甲基硅烷和富电子芳烃偶联反应中具有高效的反应活性[27](图4 Ⅱ)。这也是首次证明有机高价碘化合物可以作为类似路易斯酸的功能催化剂。

图4 高碘化合物参与的去芳化反应

3 结论和展望

对近年来使用高碘化合物作为催化剂在有机合成中的新应用进行了介绍。可以看到,高价碘催化剂已被广泛用于制备各种合成中间体,如胺类、羰基化合物、醇类、缩醛类和有机氟衍生物等。其中一些催化方法已成熟用于构建具有生物活性的杂环和螺环结构骨架。此外,手性的高碘化合物也已被具有高立体选择性的不对称合成中。在各国学者的前期研究中,我们看到很多高碘化合物用作催化剂是可以通过使用化学计量氧化剂如和mCPBA与碘芳烃氧化原位产生的,甚至在一些催化反应中,催化剂被多次重复使用还能保持催化潜力。在当下对绿色化学越来越关注的新时期,环境友好的高价碘化合物由于易得性以及易于处理的特性,作为合成有机化学中重金属的绿色和环境可持续替代品,需求量逐年攀升。同时,我们看到有机化学工作者发现高碘化合物具有能产生自由基的独特性能,可以将其用于光化学反应领域来发展高碘化合物在合成的应用,因此高碘化合物仍然可以有许多性能有待研究者去发现应用。