掩蔽的P(III)/P(V)路易斯对用于C–H和X–H键断裂以及烯烃的催化氢芳基化反应

《Inorganic Chemistry Frontiers》：Masked P(III)/P(V) frustrated Lewis pairs for C–H and X–H bond cleavage and catalytic hydroarylation of alkenes

　　沮丧的Lewis对（FLPs）已经实现了多种元素组合，然而由两种不同氧化态的磷中心构成的系统仍然未被探索。在这里，我们报道了一种分子内的配位R3P → PR4+键，它充当了一个被掩盖的FLP。这种结构使得C–H和X–H键（X = O, N）的异裂活化成为可能，从而产生磷鎓/磷烷产物。这种协同反应性进一步被用于烯烃的氢芳基化反应，展示了如何利用具有混合磷氧化态的P–P框架来进行主族催化。近年来，基于磷的Lewis对的化学研究持续受到关注。异极性磷-磷键合系统——在不同磷中心表现出Lewis酸性和碱性——已经成为一个有前景的子类。如果这些系统具有足够的不稳定性，它们可以被视为“被掩盖的”或“隐藏的”沮丧的Lewis对（FLPs）。实际上，膦稳定的磷鎓离子（R3P → PR2+）可以进行配体交换，3硅烷活化以及跨越CC和NN键的加成（图1a，A）。将这些P–P键限制在刚性配体框架内，使得这种化学性质可以扩展到对广泛不饱和底物的磷酰化。一个由二茂铁桥接的R3P → PR2+被发现是空气稳定的，并且能够选择性地与水反应。值得注意的是，与外部膦结合的二磷阳离子形成了能够活化H–H、C–H、B–H和Si–H键的分子间FLPs（图1b）。与相对被研究的R3P → PR2+对领域相比，混合价态的R3P → PR4+加合物（膦稳定的磷鎓离子）很少被研究。

图1

(a) 分子内的P(iii)/P(iii)键合FLPs。(b) 基于P的FLP类型对X–H键的活化。(c) 使用P(v)磷鎓离子对C–H的活化。(d) 本研究：通过被掩盖的P(iii)/P(v)沮丧Lewis对活化X–H键并催化烯烃的氢芳基化。我们最近报道了儿茶酚或氨基酚取代的P(v)阳离子在噻吩和吡咯底物中的位点选择性C–H活化反应（图1c）。随后，我们引入了一种膦连接的衍生物[PNOPcatCl][Al(ORF)4]，它被用作与钯(0)配位的Z型配体（图1d）。基于这个平台，我们现在展示了它介导C–H和X–H键FLP类型活化的能力，并展示了其在催化氢芳基化反应中的实用性。最初的努力是针对[PNOPcatCl][Al(ORF)4]与C–H键的反应。虽然它对未活化的芳烃如苯表现出惰性，但该盐对含氮杂环化合物显示出选择性反应性（图1）。将N-甲基吡咯暴露于[PNOPcatCl][Al(ORF)4]的二氯甲烷溶液中会触发磷鎓-磷烷1的形成（1JP–H = 511 Hz），这一点通过单晶X射线衍射得到确认（图1b）。与之前报道的儿茶酚取代的P(v)阳离子不同，[PNOPcatCl][Al(ORF)4]中的连接膦供体部分减弱了磷中心的Lewis酸性。虽然这表现为较慢的反应时间，但这种半不稳定的相互作用提供了一种调节反应性的机制，同时保持了Lewis酸驱动的转化的可行性。在1中观察到的扭曲的三棱双锥几何结构，与使用无供体阳离子时观察到的N-苯基吡咯活化产物的四方锥结构相比，可以与取代基的不同电子结构相关联。同样，[PNOPcatCl][Al(ORF)4]与N-甲基吲哚反应，以良好的分离产率得到产物2（见图1c中的晶体结构）。发现[PNOPcatCl][Al(ORF)4]与电子丰富的芳烃Ph3N在甲苯中100 °C下反应4天后，选择性地发生在其中一个苯环的para位置，产生C–H脱质子产物3，如图1d所示。在这种情况下，通过NMR光谱观察到两种异构体，现在也包括C–N键的trans-异构体。这种第二种异构体的出现归因于较高的反应温度，导致形成了熵上更有利的trans-异构体（见SI 2.1）。噻吩和呋喃对[PNOPcatCl][Al(ORF)4]没有反应性，即使在100 °C下加热过夜也是如此，这与早期系统的行为形成对比。我们通过[PNOPcatCl][Al(ORF)4]由于分子内P配位而降低的Lewis酸性来解释这一观察结果。

图1

(a) N-甲基吡咯、N-甲基吲哚和PPh3N的脱质子化。(b) 1、(c) 2和(d) 3的固态结构的热椭球图，以50%的概率显示。为了清晰起见，省略了所有基于碳的氢原子和反离子[Al(ORF)4]?。接下来，研究了X–H化合物。[PNOPcatCl][Al(ORF)4]与Ph2NH反应，形成N–H脱质子化的产物4（图2a）。通过将正戊烷气相扩散到CH2Cl2溶剂中，生长出适合X射线衍射的单晶（图2b）。有趣的是，在与Ph2NH的反应中观察到了可逆行为：产物4在室温下形成，加热到60 °C时恢复为起始材料，并且在室温下再次生成4（详见SI S3.3.1）。与酚的反应产生了白色固体产物5，多核NMR光谱表明存在两种异构产物，比例为2.2：1，这再次归因于C–N键周围的旋转异构性（见SI 2.2）。与脂肪醇（EtOH）的反应是非选择性的。图2

(a) [PNOPcatCl][Al(ORF)4]与Ph2NH和PhOH的反应。(b) 4的固态结构的热椭球图，以50%的概率显示。为了清晰起见，省略了所有基于碳的氢原子和反离子[Al(ORF)4]?。最后，我们研究了这种磷鎓盐对不饱和官能团的反应性（图3）。当将苯乙炔加入到[PNOPcatCl][Al(ORF)4]的CH2Cl2溶液中时，黄色溶液被释放出来，31P{1H} NMR光谱显示了与形成多种含磷物种一致的复杂模式。通过将正戊烷气相扩散到CH2Cl2溶液中，形成了适合X射线衍射的白色晶体，以30%的产率确认了P官能化的杂芳烃6（图3b）。在6的1H NMR光谱中，烯烃结合的苯基和相邻的叔丁基团的信号变宽，表明在高度刚性的产物中旋转运动受到限制。它代表了一种独特的C–O键断裂和氧原子迁移，可能是由磷-配体协同加成-消除途径引发的，这与早期的发现相似。还研究了羰基化合物，以苯甲醛作为代表性底物。虽然NMR光谱数据表明有多种产物，但在-40 °C下从CH2Cl2溶液中结晶出无色物种7。通过X射线衍射分析的7的单晶显示CO键完全断裂，氧原子迁移到了P(v)，并且PhCH部分插入到了N和PPh2中（图3c）。有趣的是，虽然未淬火的P(v)-儿茶酚和氨基酚系统对烯烃具有高度反应性，[PNOPcatCl][Al(ORF]4在室温下与苯乙烯没有反应性，但在加热到60 °C时只显示出苯乙烯聚合的虚假迹象。这种兼容性与我们之前的系统相比是一个明显的优势，这可以归因于由于分子内P → P配位而缓和的Lewis酸性。结合X–H键的选择性断裂，我们的下一步尝试集中在催化转移反应上。基于Br?nsted和Lewis酸在烯烃氢芳基化中的作用，我们探索了[PNOPcatCl][Al(ORF]4在此过程中的能力。

图3

(a) [PNOPcatCl][Al(ORF)4]与苯乙烯、苯乙炔和苯甲醛的反应。(b) 6和(c) 7的固态结构的热椭球图，以50%的概率显示。为了清晰起见，省略了所有氢原子和反离子[Al(ORF)4]?。选定的键长[?]为6: d(C21–C22) = 1.357(2) 和 7: d(P1–O4) = 1.4495(17)，d(P1–O1) = 1.6161(17)，d(P1–O2) = 1.6136(17)，d(P1–O3) = 1.5562(17)。在我们的研究开始时，我们选择了二对甲苯胺和苯乙烯作为底物，使用10 mol% [PNOPcatCl][Al(ORF]4作为催化剂。在甲苯中将反应混合物加热到80 °C过夜后，以49%的产率分离出了氢芳基化产物10a（方案2）。值得注意的是，任何与苯乙烯聚合相关的信号都被完全抑制了。优化反应条件后，目标产物的分离产率提高到了90%（见SI S3.1）。使用4当量的二胺被发现对于减少双烷基化产物的形成是关键的。当使用二苯胺作为底物时，发生了邻位-C-烷基化，主要产物10b的产率为67%。通过1H NMR光谱确定，对位-C-烷基化产物10b′的产率为大约26%。对位烷基化的偏好是显著的，因为它与通过亲电烯烃活化的简单磷鎓催化剂的对位烷基化形成对比。进一步的底物范围研究表明，烷基芳胺N-乙基苯胺有效地参与了反应，以良好的产率产生了产物10c。相比之下，三级胺（10d）在催化条件下没有产生任何产物，这意味着N–H质子的存在对于转化是关键的。此外，顺式-stilbene和未活化的1-己烯被发现是有效的烯烃试剂，以60–86%的产率产生了所需的产物10e和10f。有趣的是，更具亲核性的1,1-二取代的α-甲基苯乙烯即使在120 °C下加热几天后也只产生了微量的产物，表明空间位阻对成功转化有显著影响。这一观察表明，转化不是通过自由平衡的碳正离子中间体进行的，而是涉及一个协同或紧密耦合的质子化-键形成事件，其中三级苄基中心的空间位阻不利于亲核剂的捕获。

烯烃氢芳基化的范围和限制。给出了分离产率。a?基于1H NMR光谱的产率。b?对位-C-烷基化产物10c′的产率低于5%。c?120 °C。根据上述结果，有两种可能的机制（见SI S3.4）：情景（1）：[PNOPcatCl][Al(ORF)4]催化剂首先通过N–H键活化生成类型4的产物，然后通过Friedel–Crafts化学转移一个质子和P结合的芳基酰胺。情景（2）：加热后，活化的胺从4中释放出来，[PNOPcatCl][Al(ORF]4活化烯烃进行氢芳基化。虽然需要进一步的研究才能得出明确的机理结论，但三级胺和1,1-二取代烯烃的无反应性、缺乏氢胺化产物以及优先的对位选择性（包括那些在para位置未被阻塞的底物）支持情景1。假设后一步是在Br?nsted酸性条件下先前工作中提出的协同途径（见文献12a,i）。炔烃的氢芳基化没有成功，但不可逆地产生了产物6，这与氢芳基化的反应速率更快一致。

在这里，我们报道了通过使用磷鎓阳离子实现的一种被掩盖的沮丧Lewis对类型的X–H（X = C, N, 或 O）键断裂。此外，[PNOPcatCl][Al(ORF)4]对苯乙炔和苯甲醛表现出独特的反应性，并能够催化未活化的烯烃与芳基胺的氢芳基化。由于产物包含立体中心，潜在的协同底物转移途径表明了进行对映选择性转化的机会，例如，通过在配体框架中用BINOL衍生物替换儿茶酚。作者贡献

L. Y. 和 L. G. 设计了项目并设计了实验。L. Y. 进行了实验工作并撰写了初稿。两位作者都参与了讨论并完成了手稿的最终定稿，且都同意提交的内容。利益冲突

没有需要声明的利益冲突。数据可用性

支持本文的数据已作为补充信息（SI）的一部分包含在内。补充信息可供查阅。详见DOI: https://doi.org/10.1039/d6qi00241b。CCDC 2523825–2523830包含本文的补充晶体学数据。

致谢

作者感谢Manuel Schmitt在完善scXRD结构方面的帮助。L. Y. 感谢中国国家留学基金委员会（CSC）提供的博士奖学金。参考文献