芳香族化合物的脱芳构化反应

1、 收稿: 2006年10月,收修改稿: 2007年3月3 国家自然科学基金项目(no.20572010)资助3 3 通讯联系人 e2mail :mingbao dlut. edu. cn芳香族化合物的脱芳构化反应3陆仕荣 彭 勃 包 明3 3(大连理工大学 精细化工国家重点实验室 大连116012)摘 要 芳香族化合物稳定、 易得,通过芳香族化合物的脱芳构化反应,制备官能化的脂肪六元碳环化合物,早已引起人们的广泛兴趣。本文对6类脱芳构化反应进行了逐一评述,包括氧化脱芳构化反应、 还原脱芳构化反应、 光催化脱芳构化反应、 亲核加成脱芳构化反应、 2键迁移重排脱芳构化反应和过渡金属参与的脱芳构化反

2、应。其中,过渡金属参与的脱芳构化反应,反应条件温和、 反应底物广泛,可应用于生物活性物质的合成。关键词 脱芳构化反应 氧化 还原 光催化 重排 过渡金属中图分类号: o625 ; o621125 文献标识码: a 文章编号: 10052281x(2007)1021529208the dearomatization of aromatic compoundslu shirongpeng bobao ming3 3(state key laboratory of fine chemicals , dalian university of technology , dalian 116012 , c

3、hina)abstractdearomatization reactions of arenes have been attracted considerable interest because they use stable andwidely available materials to provide functionalized alicyclic compounds , which could be employed as synthetic buildingblocks for synthesis of natural products and bioactive compoun

4、ds. over the past four decades , many dearomatizationreactions have developed and applied for synthesis of alicyclic compounds containing six2membered carboncyclic moieties.this article reviews six kinds of dearomatization reactions of aromatic compounds including oxidative dearomatization andreduct

5、ive dearomatization , photocatalyzed dearomatization , nucleophilic additive dearomatization , 2rearrangementdearomatization and transition metals promoteddearomatization.among them , the transition metals promoteddearomatization proceed under mild reaction conditions with various substrates , and w

6、hich could be applied for synthesisof bioactive compounds.key wordsdearomatization; oxidation; reduction; photocatalysis; rearrangement ; transition metals 许多天然产物及人工合成的生物活性物质含有脂肪族六元碳环结构,因此脂肪族六元碳环的构筑,在有机合成化学中占有非常重要的地位。由于芳香族化合物稳定、 易得,通过芳香族化合物的脱芳构化反应(dearomatization)制备官能化的脂肪六元碳环化合物,早已引起人们的广泛兴趣。然而,正如人们所

7、知,芳香族化合物的特殊结构,使其脱芳构化具有一定的挑战性。近40年来,通过人们的不懈努力,开发了多种芳香族化合物的脱芳构化反应,并成功地应用于天然产物及生物活性物质的合成,包括氧化脱芳构化反应、 还原脱芳构化反应、 光催化脱芳构化反应、 亲核加成脱芳构化反应、 键迁移重排脱芳构化反应以及过渡金属参与的脱芳构化反应。本文将对上述脱芳构化反应及其进展进行逐一评述。1 氧化脱芳构化反应111 酚羟基的氧化氧化酚羟基的方法有高价碘氧化法、 铜配合物第19卷 第10期2007年10月化 学 进 展progress in chemistryvol.19 no.10oct. , 2007 1994-2007

8、 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/促进的分子氧氧化法和阳极氧化法。11111 高价碘氧化根据氧化剂的类型不同,可将高价碘氧化分为adler氧化和pelter氧化。(1)adler氧化13alder氧化是以高碘酸钠或高碘酸的水溶液、 醇溶液或乙酸溶液氧化22取代的苯酚衍生物1以制备邻醌醇2(式1)。这是一种在有机合成中简便、 精确制备天然产物的有效方法。产物邻醌醇可经diels2alder环加成生成双环21212辛252烯222酮合成子。邻醌醇在有机合成,尤其是天然产物的

9、合成中发挥日益重要的作用(式2)。(2) pelter氧化39pelter氧化是以三价碘bti等将苯酚及其衍生物氧化成苯醌及其衍生物。有趣的是,在亲核试剂存在的条件下,对位取代的苯酚3能被三价碘氧化成二取代的脱芳构化产物4(式3)。亲核试剂可以是水、 醇、 氟离子、 羧酸根、 氨基化合物、 肟和富电子芳香环。此外,位有取代基的萘酚5也能被三价碘pifa等氧化成二取代的脱芳构化产物6(式4)。这类脱芳构化反应已经在制备螺环化合物和药物方面得到广泛的应用,如天然药物scyphostain的合成(式5)10。此外,该方法还可以制备scyphostain的相似物及非对映异构体。11112 铜配合物促进

10、的分子氧氧化3 ,1113苯酚衍生物7能以铜配合物cu(ch3cn)4bf4等为媒介经分子氧氧化得到邻苯醌8(式6) ,这为制备邻苯醌提供了一种新方法,已经被应用于天然化合物azaphilones的 合 成(式7)13。这 种 制 备azaphilones的方法具有步骤少(两步)、ee值高(98 %)和产率高(84 %)的特点。11113 阳极氧化法3 ,14swenton等14研究发现,在甲醇存在的条件下,42苯基苯酚9能够经阳极氧化法氧化生成二取代的脱芳构化合物10(式8)。进一步研究发现,阳极氧化化合物11的化学选择性与化合物11的结构密切相关(式9)。当r1、r2为给电子烷基时,双键的

11、亲核性提高,易生成双键加成产物;当r1、r2为氢原子时,双键的亲核性降低,难以生成双键加成产物。0351化 学 进 展第19卷 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/阳极也能氧化丁子香酸12得到脱芳构化产物(式10)1 ,2。这种电化学转化的结果对所利用的反应条件,如所用电位、 反应介质和在芳香环上的取代基类型,都是非常敏感的,不同的条件下得到不同的产物。yamamura等1对阳极氧化酚的各种不同行为进行了清楚地描述。在ch3oh溶液中,以liclo4作为

12、支持电解质,12易转换为邻苯醌单缩酮13;当有naoh存在下低电位电解,12易转换为联芳基化合物14。112 酶促进的氧化boyd等15研究发现:单取代的苯15能被生物酶p.putida或e.coli氧化,生成光学活性的顺式邻二醇化合物16 ,最高ee值达到98 %(式11)。这类氧化反应为高光学活性的环状邻二醇化合物的制备提供了一条有效途径。2 还原反应还原脱芳构化反应根据还原剂的不同可以分为催化加氢和birch还原两类。211 催化加氢催化加氢是研究最早的一类脱芳构化反应(式12)1618,但这类反应由于其反应条件苛刻(高温、高压)而应用受到限制。近年来,微波技术的发展和新催化体系的应用,

13、反应条件已经有了很大的改善(式13)19212birch还原20221944年,德国科学家birch21在研究芳香化合物与碱金属于液氨溶液中的反应时,发现了一系列的脱芳构化还原反应(式14) ,人们称之为birch还原反应。birch还原反应具有很好的普遍性,被广泛应用于芳香化合物的脱芳构化。碱金属2液氨溶液都能作为birch还原脱芳构化反应的还原剂,其中钠2氨溶液应用最为广泛。krapcho等22以苯及其衍生物为对象进行动力学研究表明,在反应体系中加入酸性弱的醇可以提高脱芳构化产物的收率;同时发现,反应速率受苯环上取代基的影响,给电子取代基使芳香环钝化,吸电子取代基使芳香环活化。birch还

14、原反应自发现以来,已经实现了苯、 萘、蒽、 吡咯、 呋喃、 噻吩等芳香化合物的脱芳构化,在有机合成方面发挥着极其重要的作用。此外,birch还原脱芳构化反应在不对称合成方面也有应用。这类反应是以手性取代基在烷基化过程中的不对称诱导,制备具有光学活性的脱芳构化产物(式15)18。3 光催化脱芳构化反应最早报道的光催化脱芳构化反应是苯和氯气的1351第10期陆仕荣等 芳香族化合物的脱芳构化反应 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/光催化加成反应(式16)23

15、。noh等24研究发现,在光照的条件下氰基萘能和环己二烯发生环加成化反应,得到2 + 2 (式17)或者4 + 4的加合物(式18)。加成产物的稳定性由萘环上氰基所取代的位置决定。氰基在位时,4 + 4加合产物易分解为2 + 2加合产物17和18,所以产物中没有4 + 4加合物;氰基在位时,4 +4加合产物不易分解,所以产物中有4 + 4加合物19和20。4 亲核加成反应亲核加成脱芳构化反应,其反应物多为连有强吸电子取代基的萘衍生物。见报道的强吸电子取代基有羧基25(式19)、 酰氯基26(式20)、 醛基26(式20)、 酰基26(式20)、 唑啉基27 ,28(式21)、 氰基29和磷酰基

16、3033等。亲核加成脱芳构化反应,已经被广泛应用于不对称合成,并成功地应用于天然产物( + )phyltetralin的合成(式22)34。按照不对称诱导因素的不同,可以将这种不对称合成反应分为两类:自身取代基不对称诱导(式21)27 ,28和配体不对称诱导(式23)35。michael加成脱芳构化反应,不仅可在分子间进行,也可在分子内进行(式24)3638。5 重排脱芳构化反应重排脱芳构化反应包括sommelet2hauser重排脱芳构化反应和stanna2brook重排脱芳构化反应。其中,sommelet2hauser重排脱芳构化反应,可以分为nitrogen2ylide重排脱芳构化反应和

17、sulfur2ylide重排脱芳构化反应。511nitrogen2ylide重排脱芳构化反应3941nitrogen2ylide重排是由热力学不稳定的电荷分离的化合物重排为较稳定的中性化合物(式25)。2351化 学 进 展第19卷 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/512sulfur2ylide重排脱芳构化反应4244sulfur2ylide重排与上述重排反应类似,也是由热力学不稳定的电荷分离的化合物重排为较稳定的中性化合物(式26)。手性锂试剂充当

18、这类重排反应的碱,可以诱导生成有光学活性的目标产物(式27)45。513stanna2brook重排脱芳构化反应46邻或对苯二甲酸异丙酯能与三甲基锡化锂发生亲核加成反应生成锂盐,锂盐先后经stanna2brook重排、 质子化生成脱芳构化产物。反应产物的结构与质子化试剂有关:质子化试剂为acoh或tfa时,易生成动力学控制的产物22;而质子化试剂为iproh时,易生成热力学控制的产物21。动力学产物22能缓慢转变为热力学产物21(式28)。6 过渡金属参与的脱芳构化反应cr、mn、ru等过渡金属可与芳香化合物生成(62arene)m形式的配合物,而os、re、mo、w等与芳香化合物却生成(22

19、arene)m形式的配合物,这两类配合物分别能发生亲核加成脱芳构化反应和亲电加成脱芳构化反应。这些过渡金属参与的脱芳构化反应具有反应条件温和、 脱芳构化底物广泛和反应区域选择性良好等特点。另外,和其它类型的脱芳构化反应相比,过渡金属参与的脱芳构化反应,在不对称合成和天然产物的制备方面应用更加广泛。611(62arene)m配合物的脱芳构化反应61111(62arene)cr(co)3的脱芳构化反应47芳香环的 2电子配位填充到cr原子的空d轨道中,使芳香环碳骨架周围的电子云密度降低,易受亲核试剂的进攻,生成带单位负电荷的金属络合物。此络合物接着和卤代烃反应,经氧化加成2还原消去步骤生成脱芳构化

20、产物。生成的带单位负电荷的金属络合物,也可经质子化或者光照48生成脱芳构化产物(式29)。芳香环上的取代基对亲核试剂的进攻具有良好的区域定位性:供电子取代基是间位定位的;吸电子取代基是对位定位的;能有效和亲核试剂配位的取代基是邻位定位的。此外,区域选择性会因亲核试剂和反应条件不同而有所改变。(62arene)cr (co)3的脱芳构化反应已经被广泛应用于不对称合成。根据不对称诱导因素的不同可以分为4种类型:手性取代基诱导(式30)、 手性添加剂诱导(式31)、 手性平面诱导(式32)和手性配体诱导(式33)。(62arene)cr(co)3的脱芳构化反应,条件较温和,区域选择性高。此类配合物已

21、经被成功应用于6 ,n螺环化合物的制备49。由于cr(co)3的配位能力较弱,(62arene) cr(co)3只能和强的亲核试剂反应,而含杂原子芳香环能与强亲核试剂发生很多副反应,所以与cr(co)3配位的含杂原子芳香环的脱芳构化反应的未见报道。但cr的卡宾配合物能活化呋喃进行亲核加成脱芳构化反应50,这与卡宾是强供电子配体有关。3351第10期陆仕荣等 芳香族化合物的脱芳构化反应 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/61112 (62arene)mn

22、(co)3+的脱芳构化反应47 (62arene)mn(co)3+与(62arene) cr(co)3类似,也可发生亲核加成反应,其先后两次与亲核试剂反应,再经氧化分解生成脱芳构化产物(式34)。 (62arene)mn(co)3+的脱芳构化反应被成功用于 不 对 称 合 成,例 如( + ) juvabione的 合 成(式35)47。 (62arene)mn(co)3+亲核加成的区域选择性比(62arene)cr(co)3差。但是,mn(co)3+的配位能力比cr(co)3强,因此, (62arene)mn(co)3+将更有利于亲核试剂的进攻,反应活性更高,能与广泛的亲核试剂反应。据报道,

23、具有特殊结构的 (62arene) ru(cp) 2 +配合物能发生分子内亲核加成脱芳构反应51 ,52(式36和37)。612(22arene)m配合物47 ,53(22arene)m配合物(m =os、re、mo、w等)之所以能够和亲电试剂反应,是由于: (1)芳香环只以两个碳原子与过渡金属形成配位键,造成芳香环的扭曲,相应地促使芳香环的电子在部分碳原子上的积聚;(2)过渡金属d轨道上的电子能反馈到芳香环的反键轨道上,形成反馈 键,从而提高了芳香环碳骨架上的电子云密度,有利于亲电试剂的进攻。(22arene)m配合物促进的脱芳构化反应的发现者,美国的harman教授53多年致力于这一反应的

24、研究,先后开发了两类不同的配合物: (22arene) os (nh3)52+和 tpm (l) ( 2acid) (22arene)。在后者中,tp为氢化三吡唑基硼, m为os、re、mo、w等,l为各种给电子配体, 2acid为co、no+。(22arene)m配合物发生脱芳构化反应时,先经亲电加成生成带有一个单位正电荷的金属配合物,再经亲核加成、 脱去金属m转化为脱芳构化产物(式38)。61211 (22arene) os(nh3)52+的脱芳构化反应harman课题组53研究发现:os(nh3)52+与芳香环配位时有良好的区域选择性,这是 (22arene)os (nh3)52+在亲电

25、加成反应步骤具有区域选择性的前题(与os配位的双键不能和亲电试剂发生加成反应)。单取代的苯环,不管取代基是吸电子基还是给电子基,os(nh3)52+都优先与c(2)和c(3)键4351化 学 进 展第19卷 1994-2007 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/合。而对于吡啶,os(nh3)52+优先与c(3)和c(4)键合。对于萘环,os (nh3)52+优先与c(1)和c(2)键合。有研究者53对这种区域选择性进行了深入地分析,认为os(nh3)52+优先选择对芳香环

26、的芳香性破坏最小的配位方式。与os (nh3)52+配位的萘经亲电加成及亲核加成后,最终生成1 ,4位的加成产物。与os(nh3)52+配位的苯酚、 苯甲醚和苯胺等发生亲电加成反应时,亲电试剂都进攻取代基的对位。这样,芳香环上没有和os(nh3)52+配位的轨道才能和杂原子的孤对电子共轭,提高中间产物的稳定性(式39)。61212t pm(l) ( 2acid) (22arene) 的脱芳构化反应由于os(nh3)52+存在着价格昂贵、 有毒和溶解性差等缺点,harman课题组53后来合成了tpm(l) ( 2acid) (22arene) 配合物,其金属可以是re、w、mo等。与os (nh

27、3)52 +相比, tpm (l) ( 2acid) 给电子能力强。因此,与其配位的芳香环发生亲电加成反应的活性较高。此外,这类配合物还能活化一些os(nh3)52 +不能活化的芳香化合物,发生环加成脱芳构化反应(式40)。613pd催化的烯丙基化2脱芳构化反应bao等54发现了过渡金属钯催化的烯丙基化2脱芳构化反应:苄基氯及其衍生物在钯的催化下,室温与烯丙基锡反应,生成烯丙基化2脱芳构化产物(式41)。在催化剂量的钯存在下,烯丙基化2脱芳构化反应,可在室温进行,反应产率高,反应产物稳定。另外,这种脱芳构化反应具有很好的区域选择性,无论取代基在芳环的邻位、 间位还是对位,均生成对位烯丙基化的产

28、物。7 结语在过去的40年,化学工作者在脱芳构化反应方面进行了积极的探索研究,实现了很多芳香化合物的脱芳构化,制备了众多难于制备的单环和多环化合物。此外,在脱芳构化反应过程中,利用各种不对称因素诱导制备了多种具有光学活性的目标产物,并将其应用于天然产物及药物的合成。过渡金属参与的脱芳构化反应最为引人瞩目,过渡金属不仅具有使脱芳构化反应在室温或低于室温的条件下进行的特点,还拓宽了脱芳构化反应的底物。美中不足的是,配合物(62arene) m和(22arene) m发生脱芳构化反应时,使用等量的过渡金属参与反应,反应结束后产生大量的含cr、os等有毒金属的副产物。过渡金属钯催化的脱芳构化反应的发现

29、,无疑给人们一个很好的启示,有必要进行深入研究。煤炭是我国的主要碳资源,提高煤炭利用效率、减少大气污染的洁净煤技术已被列为我国环境协调发展的战略目标。利用脱芳构化反应,将煤中具有致癌作用的芳香化合物转化为具有高附加值的农药及医药等精细化学品,是实现这一战略目标的良好途径之一。参 考 文 献 1 迪迪埃 阿斯特吕克(didier astruc) .现代芳烃化学 概念、 合成及应用(modern aromaticity chemistry: conception、syntheses、application) .北京:化学工业出版社(beijing:chemistry industry press)

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