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諾獎得主Benjamin List 教授團隊JACS:Br?nsted-酸催化呋喃的還原反應

來源:化學加原創      2025-03-12
導讀:近日,德國馬克斯·普朗克煤炭研究所所長、2021年諾貝爾化學獎獲得者Benjamin List教授報道了一種采用硅烷作為還原劑,實現了Br?nsted酸催化呋喃的還原反應,合成了一系列2,5-二氫或四氫呋喃衍生物。值得注意的是,該策略首次實現了呋喃本身的形式Birch還原。機理研究揭示了HFIP作為關鍵溶劑的復雜行為,阻止了呋喃在酸性條件下的固有聚合行為,并通過特定的產物結合(specific product binding)引入了額外的驅動力。文章鏈接DOI:10.1021/jacs.4c18485

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

正文

呋喃是將基于化石的化學工業轉變為基于生物和可持續的精細化學品生產途徑的關鍵(Figure 1A)。目前,通過去飽和的位點選擇性控制,可將呋喃轉化為二氫呋喃,其在香料行業等行業備受關注(Figure 1B)。近年來,化學家們采用高壓H2和Rh-、Ir-或Ru-催化劑,通過均相和非均相金屬催化體系,實現了將呋喃還原為四氫呋喃,但對于呋喃骨架的直接去芳構化策略,卻較少有相關的研究報道。其中,將呋喃轉化為二氫呋喃的Birch還原反應,僅限于少數缺電子或羧酸酯取代的底物。同時,由于呋喃骨架易發生不受控制的二聚和開環反應,導致此類去芳構化策略極具難度。近日,Benjamin List團隊報道了一種溫和的Br?nsted酸催化呋喃的還原反應,合成了一系列形式Birch-還原產物2,5-二氫呋喃衍生物。同時,當采用硅烷作為還原劑,還可實現相應的全還原反應,獲得相應的四氫呋喃衍生物(Figure 1C)。歡迎下載化學加APP到手機桌面,合成化學產業資源聚合服務平臺。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

其次,作者以2-戊基呋喃(I)或3-芳基呋喃(II)作為模型底物,進行了相關反應條件的篩選(Figure 2)。篩選結果表明,當以Et3SiH作為還原劑,在TFA或TfOH催化下,均未發生反應,或者進行二聚反應(如III)(Figure 2A)。進一步的優化后發現,HFIP能夠降低常用溶劑中的聚合反應性。同時,H2O的添加對于實現完全轉化也至關重要。并且,酸的強度也影響還原的程度(Figure 2B)。因此,作者確定了兩種最佳的反應條件,即在Condition A條件下,以TFA(5 mol %)作為催化劑,H2O(1.0 equiv)作為添加劑,Et3SiH(1.5 equiv)作為還原劑,在HFIP溶劑中室溫反應,可以58%的收率得到2,5-二氫呋喃產物。在Condition B條件下,以TfOH(2 mol %)作為催化劑,Et3SiH(2.5 equiv)作為還原劑,在HFIP溶劑中室溫反應,可以100%的收率得到四氫呋喃產物。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

在獲得上述最佳反應條件后,作者對合成2,5-二氫呋喃產物的底物范圍進行了擴展(Figure 3)。首先,各種3-芳基取代的呋喃衍生物,均可順利進行反應,獲得相應的產物2a-2g,收率為68-95%。其中,對于含有強吸電子基的底物,則需在酸性更強的條件(即Condition B)下才能反應,如2g。其次,對于3-烷基取代的呋喃,也需在酸性更強的條件(即Condition B)下反應,獲得相應的產物2h-2l,收率為86-100%。令人驚訝的是,含有氯甲烷(2m59%)和末端烯基(2n82%)取代的底物,也與體系兼容,由于其在離子硅烷還原過程中也會被還原。此外,紫蘇精油中的天然單萜紫蘇烯,可以57%的收率得到部分還原產物2o。調味劑薄荷呋喃,可以75%的收率得到產物2p2,4-取代呋喃,可以80%的收率得到產物2q。含有(硫代)酯的呋喃,可以40%的收率得到產物2r。含有雙硫鍵的底物,僅以21%的收率得到產物2s。含有烷氧羰基取代的底物,可以70%的的收率得到產物2t。然而,2-羧基呋喃或3-羧基呋喃,未能有效的進行反應。值得注意的是,呋喃本身(1u)也是一種合適的底物,可以90%的收率轉化為2,5-二氫呋喃(2u),這是呋喃首次形式Birch還原的例子。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

緊接著,作者對合成四氫呋喃產物的底物范圍進行了擴展(Figure 4)。首先,各種3-芳基取代的呋喃衍生物,均可順利進行反應,獲得相應的產物4a-4e,收率為72-83%。然而,芳基上含有強吸電子基的呋喃衍生物,未能有效的進行反應,如4f4g。其次,2-烷基與2-芳基取代的呋喃衍生物,也與體系兼容,獲得相應的產物4h-4q,收率為45-89%。此外,糠醛和4-羥甲基糠醛(HMF),也是合適的底物,獲得相應的產物4r83%)和4s(定量)。同時,乙酰丙酸3t經還原環化,可以89%的收率得到γ-戊內酯產物4t。苯并呋喃,也可以55%的收率轉化為2,3-二氫苯并呋喃產物4u

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

隨后,作者對反應機理進行了研究(Figure 5)。首先,反應動力學不受Et3SiH當量的影響,表明了對Et3SiH的零級依賴性。其次,研究了TFA催化劑的負載量,可以確定動力學時間過程中的兩種狀態,并且催化劑負載量越高,反應速度越快(Figure 5A)。通過水添加的對照實驗發現,體系無水時僅有25%的轉化率,加入1.0當量水后,反應可繼續進行(Figure 5B)。通過在不同濃度下使用Et2MeSiH代替Et3SiH的實驗表明,反應形成了硅烷化催化劑Et2MeSi-TFA 5c(Figure 5C)。Hammett與KIE研究結果表明,對于缺電子的呋喃1e1f,呋喃的質子化為決速步。而對于富電子的呋喃1a-1c,還原過程為決速步(Figure 5D)。滴定研究結果表明,HFIP和5f之間存在強氫鍵。乙醚氧的HFIP配合物為還原反應增加了額外的驅動力(Figure 5E)。

基于上述的討論,作者提出了一種合理的反應機理(Figure 5F)。首先,在呋喃5d質子化后,氧雜卡賓陽離子5e2-位被Et3SiH還原,生成2,5-二氫呋喃產物5f。催化三氟乙酸根陰離子與剩余的硅陽離子(silylium)配位,生成穩定的中間體5b。然后,5bH2O經加氫去硅化(hydrodesilylation),可再生成活性催化劑。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

此外,作者還通過二維圖對呋喃還原過程中的反應性差異進行了研究(Figure 6)。在呋喃還原為二氫呋喃的過程中,6d可被TFA進行充分質子化(①)。對于6f,使用TfOH可以有效促進質子化(②)。對于6b6c,反應需使用比TfOH更強的酸(③)。其次,由于相對高的質子親和力,導致2-取代呋喃總是還原為四氫呋喃(④)。3-烷基取代的呋喃6j以及2,5-二氫呋喃6k的質子化太不利,無法進一步轉化為四氫呋喃(⑥),僅進行部分還原。對于其他的中間體,可以通過酸強度實現選擇性控制(⑤)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

最后,基于工業方法與生物基方法相比,該策略可作為一種新型的合成途徑(Figure 7)。例如,呋喃可一步轉化為2,5-二氫呋喃,避免了工業上的環氧化和熱重排的過程。2-苯基呋喃在TFA/TfOH條件下可轉化為4-苯基丁醇,其作為合成白三烯受體拮抗劑(Pranlukast)的關鍵中間體,避免了工業上使用AlCl3、NaBH4等危險性試劑。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.


總結

德國馬克斯·普朗克煤炭研究Benjamin List團隊報道了一種采用硅烷作為還原劑,實現了Br?nsted酸催化呋喃的還原反應,合成了一系列2,5-二氫或四氫呋喃衍生物。其中,該策略利用HFIP溶劑的穩定作用,防止聚合副反應的發生。機理和計算分析使選擇合適的酸強度合理化,從而能夠控制3-芳基取代呋喃的還原程度。此外,通過以底物控制的方式,可將廣泛的無差異的呋喃還原為2,5-二氫呋喃或四氫呋喃類似物。特別是,首次實現了呋喃本身的形式Birch還原。作者預計,從各種呋喃中制備2,5-二氫呋喃骨架的策略,能夠促進新型的逆合成途徑。

文獻詳情:

Bro?nsted Acid-Catalyzed Reduction of Furans. 
Nils Frank, Markus Leutzsch, Benjamin List*. 
J. Am. Chem. Soc. 2025
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c18485

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