英文原题：Generation and transformation of α-oxy carbene intermediates enabled by copper-catalyzed carbonylation

作者：Yang Yuan and Xiao-Feng Wu*

01 论文信息

论文信息

Y. Yang, X. Wu. Generation and transformation of α-oxy carbene intermediates enabled by copper-catalyzed carbonylation[J]. Green Carbon 2024 2(1) 70-80.

论文关键词

Carbonylation; Copper catalyst; Carbene; Carbon monoxide; Domino reaction

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.01.002

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Generation and transformation of α-oxy carbene intermediates enabled by copper-catalyzed carbonylation

中文解读原链接

Green Carbon文章│中国科学院大连化学物理研究所吴小锋研究员：铜催化羰基化卡宾中间体生成和转化

02 背景简介

自发现费托反应以来，过渡金属催化的羰基化反应成为制备含羰基和碳链增加化合物的最重要方法之一。羰基化研究领域在过去几十年中受到了相当大的关注，并且还在继续增加。近年来，铜催化已被引入烯烃的羰基化官能团化，从而能够从简单的起始材料快速组装官能化羰基化合物。

近日，中国科学院大连化学物理研究所的吴小锋研究员团队在Green Carbon上发表标题为“Generation and transformation of α-oxy carbene intermediates enabled by copper-catalyzed carbonylation”的观点文章，总结了其团队在Cu-Bpin催化的烯烃羰基化硼官能团化这一新模式反应方面所做的创新性工作。包括生成和转化α-羰基碳中间体和转化方面的进展，即C-H插入、N-H插入、O-H插入、CO插入和环丙烷化。

03 文章简介

发展背景

目前，羰基化反应已成为利用C1原料合成羰基化合物或其衍生物最有效、高效的方法之一。经过一个多世纪的发展，过渡金属催化的羰基化反应在学术界和工业界都取得了重大进展。许多催化羰基化过程，如费托过程和加氢甲酰化已经实现了工业化，并服务于人类的日常生活。

一般来说，大多数过渡金属催化的羰基化反应都涉及关键的酰基金属中间体，该中间体会被亲核物质攻击或还原消除为含羰基化合物。然而，由于酰基金属种类具有缺电子特性且容易发生还原消除或脱羰基反应，使得控制酰基金属中间体向非羰基金属的转化、促进非羧基化合物的形成成为具有挑战性的科学问题。铜催化，尤其是硼酸铜催化和氢化铜催化，被广泛用于烯烃的官能化。在C-C双键上添加硼酸盐或氢和亲电子体的能力是一种非常灵活的新制备策略。这些反应的一般机理涉及一个烷基铜中间体，该中间体最初是通过烯烃和硼酸铜/氢化物的迁移插入生成，而后再截取一个亲电子体生成最终产物。

该团队之前报道了几种铜催化的烯烃羰基官能化反应以合成β-硼酮、β-硼酰胺、α-手性酰胺、β-手性酰等。在这些羰基官能化过程中，生成的烷基铜中间体通过CO配位和插入转化为酰基铜络合物。然后，酰基铜络合物直接与亲电物反应生成羧酸衍生物。尽管取得了进步，但这种羰基官能化模式是传统缺乏创新的。最近关于烯烃羰基官能化的研究中，吴小锋研究员及其团队还发现了一种非常规的反应模式。在这种新颖的反应模式中，酰基铜络合物可以进一步异构化成卡宾中间体，进行后续转化（图1）。

图1. 铜催化烯烃经卡宾中间体羰基功能化

卡宾中间体插入C-H键

在过渡金属催化不饱和键的硼羰基化研究中，通过Cu/Pd协同催化实现乙烯基烯烃的四组分硼羰基化。与使用芳基碘化物作为偶联剂生成β-硼基酮不同，使用芳基三酸盐作为偶联剂生成了β-硼基乙烯基酯。钯作为催化剂后，β-硼乙烯基酯很容易从具有良好官能团耐受性的三氟甲基芳基化合物中合成出来。提出的机理包括涉及铜和钯两个独立催化循环。后续工作中，在没有钯催化剂的情况下，在Xantphos/CuCl催化剂的存在下，通过苯乙烯、 B₂pin₂、CO和 NaOᵗBu的一锅硼功能化，高效地制备了一类新的环硼酸盐化合物。为解决底物限于末端脂肪族烯烃的情况，也对铜催化芳烯烃合成双硼酸环丙基进行了后续研究。以DPPP为配体，在改性条件下，从端芳烯烃和内芳烯烃中均可高效制得相应的双硼酸环丙基。近年来在研究中发现，α-取代苯乙烯也可以发生硼基羰基化过程。在Cu（OAc）₂/DPPE作为催化剂和KOᵗBu作为碱的存在下，α-取代苯乙烯通过β C-H键插入羰基被转移到多种具有季碳中心，合成有用的硼酸环丙酯（图2）。

图2. 铜催化α-取代苯乙烯硼羰基化合成单硼酸环丙基

卡宾中间体插入N-H键

鉴于卡宾的亲电性质，研究卡宾中间体是否能与其它亲核X-H发生插入反应。研究发现以CuCl/Xantphos为催化剂， NaOᵗBu和iPrOH分别作为碱和质子源，可以从发生N-H插入芳基胺反应的卡宾中间体中以良好的产率获得γ-硼烷胺产物。根据机理实验，提出了一种可能的途径（图3）。具体来说，形成的卡宾中间体A插入苯胺的N-H键以产生中间体B，中间体B将根据苯胺的电子效应通过1,3-铜位移生成中间体C或D。然后通过β-OH消除形成中间体E和F，中间体E将迅速异构化为更稳定的亚胺F。随后，（L'）Cu-Bpin物种迁移插入C=N键中，产生中间体G，中间体G经过快速金属转移和原溶解，提供最终的γ-硼基胺。

图3. 通过Cu催化的硼氨基甲基化合成γ-硼基胺的反应机理

卡宾中间体插入O-H键

后续也对硼羰基化衍生的卡宾中间体进行了O-H键插入。在研究Cu催化的α取代苯乙烯向环丙基硼酸酯的硼羰基化反应时，在THF中将DPPE配体替换为NHC（SIMes）配体后，生成的不是环丙基硼酸酯，而是β-硼醛。为了深入了解这种卡宾O-H键插入机理，我们进行了化学反应以原位制备中间体C，该中间体并不稳定且没有特征。然后，中间体C与ᵗBuOH进一步反应，生成β-硼醛，收率为26%。此外，还进行了相关的氘交换实验，结果表明ᵗBuOH在这一转化过程中起到了质子源的作用，并没有发生其他明显的氢/氘交换。根据作者前面的实验结果，作者推测卡宾中间体C与ᵗBuOH发生了O-H插入反应，生成了中间体D，Dβ消去了最终产物，释放出氧化铜物种用于下一个催化循环（图4）。

图4. 通过铜催化α-取代苯乙烯的羰基化合成β-硼醛的反应路径

环丙烷化

除了X-H插入之外，最常用的卡宾反应是环丙烷化。由于一直关注硼烷基取代的卡宾中间体的反应性，作者推测卡宾中间体可能会被C=C双键捕获进而生成β-硼基环丙烷。经过大量的筛选，观察到在10 bar CO大气中、 Cu（OTf）₂/DPPB、B₂pin₂、 NaOᵗBu存在下，环丙烷化反应能够顺利进行，多种苯乙烯底物被转化为相应的β-硼环丙烷衍生物。图5描述了该硼环丙烷化反应的可能反应途径。原位生成的卡宾中间体A首先被苯乙烯捕获，生成含环丙烷的铜物种B，再与额外的B₂pin₂反应生成C。C在B₂pin₂和NaOᵗBu的帮助下转化为化合物D。最后，以试剂中的微量水作为质子源，对化合物D进行去甲基化反应，得到产物。

图5. 通过铜催化苯乙烯的1,2-硼环丙烷化反应合成β-硼环丙烷的机理研究

卡宾中间体插入CO

在探究与卡宾的反应性时，还观察到在体系中形成的卡宾中间体可以再插入一个CO分子。具体来说，CO分子被用于生成卡宾中间体时，而另一个CO分子则进一步被卡宾捕获作为羰基来源，从而串联形成亚甲基-羰基分子（-CH₂-CO-）。在优化条件下，铜催化的各种β取代苯乙烯与醇的硼羰基化反应可生成γ-硼酸酯，产率高，非对映选择性高。 ¹³C标记实验表明，-CH₂-CO-基团中的碳原子是从两个CO分子中产生的。接着，用d₆-EtOH代替EtOH作为亲核剂将醇排除在质子源之外，对d₉-DMAc和D₂O进行了氘核实验，结果表明DMAc和试剂中的微量水都可以作为质子源（图6）。

图6. 铜催化的烯烃羰基化氘实验

Cu-H体系中的卡宾中间体

近年来出现通过铜氢化物引发卡宾介导的反应途径。团队较早的探索了羰基偶联反应中 （L'）Cu-H催化剂的使用。通过原位形成的卡宾中间体，实现了Cu-H催化苯乙烯的氢甲酰化和羟甲基化。在合成气压力下，使用CuCN作为预催化剂可以生产出各种醛，并具有良好的官能团耐受性；相反，通过调节合成气CO/ H₂的比例，该团队发现在使用CuCl作为催化剂前驱体时，羟甲基化会优先发生，从而得到醇。实验表明，乙烯基氧基钠中间体很可能参与了反应，并在反应过程中被水水解，得到了最终的醛产物。围绕上述路径，提出了图7所示的苯乙烯与合成气进行氢甲酰化和羟甲基化的反应机理。

图7. CuH通过卡宾中间体催化苯乙烯的羰基官能团化机理

总结与展望

文章报道了近年来铜催化α-氧羰基化反应中α-氧羰基化反应的研究进展。通过原位生成的α-氧羰基的不同反应性，制备了多种功能化合物，如C-H、N-H、O-H、CO插入和环丙烷化。几类重要的烯烃（如1,1-二取代烯、三取代烯和四取代烯）仍然是非常具有挑战性的底物；S-H、Si-H、P-H和B-H等键的卡宾插入反应仍需深入探究；此外，探索其他铜物种，如Cu-F或Cu-Si是迫切需要的；开发从烯烃以外的底物生成酰基铜的新方法来增强这些转化的多功能性也是未来的研究目标。

04 文章摘要

Abstract

Since the Fischer-Tropsch reaction was discovered by Otto Roelen in 1938, transition metal-catalyzed carbonylation reactions come in as one of the most important methods for preparing carbonyl-containing and carbon chain-increased compounds. As a result, the field of carbonylation research has received considerable attention over the past decades and continues to increase. With the continuous development of carbonylation and the in-depth study of the mechanism, more mechanistic details and variations have been revealed, which provide more possibilities for organic synthesis. Recently, copper catalysis has been introduced to the carbonylative functionalization of alkenes, thus enabling the rapid assembly of functionalized carbonyl compounds from simple starting materials. In this Account, we summarize the new findings in the Cu-catalyzed borocarbonylation of alkenes based on the generation and transformation of α-oxy carbene intermediates. We believe that the results presented in this Account will further inspire the design of new carbonylation reactions.

05 作者简介

吴小锋 研究员

吴小锋研究员出生于中国浙江省衢州市，2007年毕业于浙江理工大学并获得学士学位。硕士就读于法国雷恩第一大学。博士就读于德国莱布尼滋催化研究所-罗斯托克大学，师从Matthias Beller教授，于2012年1月获得博士学位。毕业后在德国莱布尼兹研究所开展独立研究工作。现任中国科学院大连化学物理研究所催化羰基化研究组首席科学家，Green Carbon青年编委。主要从事一氧化碳向精细化学品的转化、生物质向一氧化碳的转化、小分子活化以及聚合物降解。先后在Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed., Chem等国际知名期刊上发表论文560多篇，著作10多部，H-index(H因子)=62。

06 Green Carbon

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