烯丙位C(sp3)–H键官能团化，“铋”有不同

随着人们对贵金属催化剂替代品的需求日益增长，合成化学界开始关注并开发新的基于主族元素的催化剂来模拟过渡金属的催化模式，从而实现降低成本和绿色环保等目的。近年来，这一领域在有机膦、有机铋、有机硒、高价碘催化的研究中取得了极大的进展。然而，仍然有许多有用的过渡金属催化反应尚未能由主族元素催化的方式实现。其中，C–H键官能团化就是这样一类具有挑战性的转化，尽管它已发展成了一种简化化学合成的有效工具，却仍然很难摆脱对过渡金属催化剂的依赖。在2015年， Fontaine课题组发现了一种两性氨基硼烷催化剂，它可以模拟以协同金属化-去质子化（CMD机理）进行的C(sp²)–H键活化过程。然而，类似的具有过渡金属特性的C(sp³)–H键活化过程尚未被发现。

图1. 铋催化烯烃C(sp³)–H官能团化

近日，美国匹兹堡大学的王亦鸣课题组和德国马尔堡大学（Philipps-Universität Marburg）的Lichtenberg课题组共同报道了一种由有机铋化合物催化的烯烃α位C–H键官能团化反应。这一新型的反应是通过一种络合辅助去质子化机制进行的，这一机理曾在金、铁、铱催化体系中被报道。在研发初期，作者通过筛选一系列基于主族元素的路易斯酸化合物，发现了一类带有芳基配体的三价铋物种能够催化1，4-戊二烯的α位C–H键活化，并与苯甲醛偶联。经过系统的条件筛选和配体优化，作者实现了烯烃α位与多种羰基和亚胺亲电试剂的C–C偶联，并且大部分反应具有很高的区域选择性。有趣的是，在醛作为亲电试剂的时候，可以通过使用不同的路易斯酸调控直链或支链产物的生成。一些单取代的1，4-二烯和苯丙烯类化合物也具有良好的反应性。此外，作者还将其中一个产物转化成了一个带氮杂环丁烷的分子。

图2. 反应的底物范围和衍生化

本文深刻阐述了对该反应机理的探索和理解。例如，作者通过核磁和红外分析发现了铋阳离子和烯烃之间的微弱配位作用，这是首例分子间铋和烯烃相互作用研究的报道。作者还发现反应中使用的碱可以在铋化合物的存在下拔去1，4-戊二烯中α位的质子，从而生成一个烯丙基铋物种，类似的化合物已经被报道可以和羰基类亲电试剂发生反应。这一发现表明了该催化反应经历了碱介导的C–H键去质子化的关键步骤。此外，作者利用DFT计算分析了C–C键形成步骤的过渡态，是一个由分子间配位形成的六元环结构，从而解释了该反应的高区域选择性和高非对映异构选择性。

图3. 反应机理研究

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是匹兹堡大学博士研究生王睿涵。

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Transition Metal Mimetic π-Activation by Cationic Bismuth(III) Catalysts for Allylic C–H Functionalization of Olefins Using C═O and C═N Electrophiles

Ruihan Wang, Sebastián Martínez, Johannes Schwarzmann, Christopher Z. Zhao, Jacqueline Ramler, Crispin Lichtenberg*, Yi-Ming Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c06235

课题组负责人Yiming Wang博士简介

Yiming Wang（王亦鸣），美国匹兹堡大学副教授。2008年毕业于哈佛大学，获得化学与物理和数学的AB/AM学位。2013年在加州大学伯克利分校F. Dean Toste教授的指导下获得博士学位后，他作为国家卫生研究院的博士后研究员在麻省理工学院（MIT）Stephen Buchwald教授的实验室进行博士后研究工作。他于2017年秋季加入匹兹堡大学化学系。

https://www.x-mol.com/university/faculty/319349