【人物与科研】温州大学陈久喜团队：钯催化2-(氰基甲氧基)查尔酮与芳基硼酸串联反应：选择性合成苯并呋喃并[2,3-c]吡啶衍生物

导语

温州大学化学与材料工程学院陈久喜团队致力于过渡金属催化有机硼试剂与腈的串联反应研究。近日，课题组在该研究领域取得了新进展：发展了钯催化2-(氰基甲氧基)查尔酮与芳基硼酸串联反应，选择性合成苯并呋喃并[2,3-c]吡啶衍生物（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b04185）。

陈久喜教授简介

陈久喜，温州大学瓯江特聘教授，研究员，硕士生导师，浙江省“万人计划”青年拔尖人才，温州大学地方合作处处长兼继续教育处处长。2004年本科毕业于温州师范学院化学系（现温州大学化学与材料工程学院），2007获温州大学硕士学位，2014年获浙江工业大学博士学位，2007年9月至今就职于温州大学。近年来，在过渡金属催化有机硼试剂与腈的串联反应方面取得系列研究成果。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和浙江省公益技术应用研究计划项目等；已在Org. Lett., Green Chem., Chem. Commun., Org. Chem. Front., J. Org. Chem., Adv. Synth. Catal.等期刊上发表SCI论文90余篇，授权发明专利30余项，获浙江省科学技术奖三等奖（排名第一）和“十一五”浙江省自然科学基金优秀项目（排名第一）等。

前沿科研成果

前沿科研成果简介：钯催化2-(氰基甲氧基)查尔酮与芳基硼酸串联反应：选择性合成苯并呋喃并[2,3-c]吡啶衍生物

在有机及材料化学领域，以易得底物为起始原料，通过选择性的多米诺骨牌式生成高附加值的目标产物是当前重要的研究热点。基于过渡金属催化的芳基硼酸与α,β-不饱和醛酮的共轭加成反应策略，制备β-芳基取代羰基分子受到广泛关注（J. Org. Chem. 2005, 70 , 9651-9653；J. Org. Chem. 2017, 82 , 8023-8030；Org. Lett. 2010, 12 , 2536-2539；Org. Lett. 2007, 9 , 343-346；Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42 , 2768-2770；J. Org. Chem. 1995, 60 , 883-888；Adv. Synth. Catal. 2007, 349 , 1759-1764）。受课题组前期钯催化腈类化合物和芳基硼酸的串联反应工作的启发（Org. Lett. 2019, 21, 7697-7701；Org. Lett. 2018, 20 , 3083-3087；Org. Lett. 2017, 19 , 218），作者设想利用易得的含α,β-不饱和羰基骨架的腈类化合物（例如：2-(氰基甲氧基)查尔酮）与芳基硼酸串联反应，通过中间体A或者中间体B选择性地构建不同的七元杂环化合物。然而，该反应意外地实现了传统方法难以制备的苯并呋喃并[2,3-c]吡啶衍生物的合成。

图1. 选择性构建苯并呋喃并[2,3-c]吡啶

（来源：Org. Lett.）

首先，作者对催化剂、配体、溶剂、反应时间等条件进行了一系列筛选，最后确定以醋酸钯为催化剂，新亚铜试剂为配体，三氟乙酸为添加剂，四氢呋喃为溶剂，可使目标产物产率达到最佳。在此条件下，作者对反应的普适性进行了考察，结果表明：各种取代的2-(氰基甲氧基)查尔酮与芳基硼酸都能以中等到良好的收率得到相应产物。

 

图2. 反应底物适用范围

（来源：Org. Lett.）

此外，作者通过X-ray晶体衍射进一步确定了产物4d的结构，如下图所示。

 

图3. 产物4d的结构

（来源：Org. Lett.）

为了验证苯并呋喃[2,3-c]吡啶衍生物的应用性，作者选择了9种不同产物来研究其光物理性质。如图4a、4b所示，这些产物在液体和固态都表现出强烈的蓝色荧光，液体的荧光波长为484至492 nm，固态的荧光波长为405至440 nm。与溶液状态相比，固体材料的波长发生红移，并且荧光强度降低。这些效应可能归因于处于聚集状态的分子之间的弱分子间相互作用。与此同时作者还研究了化合物3a在不同THF/H₂O混合物中的发光特性（图4c）。作者通过测量3a化合物在甲苯，二氯甲烷（DCM），乙酸乙酯（EA）和DMSO中的荧光发射，研究了溶剂极性对3a的影响（图4d）。最后作者使用一套高斯09程序进行密度泛函理论计算，研究了有关这些化合物在分子水平上的光学性质。作者利用B3LYP/6-31 + G*方法计算出衍生物的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）能级（图4e）。

 

图4. 光物理性质研究

（来源：Org. Lett.）

在探索了底物普适性以及产物的应用性后，作者对反应机理进行了研究。首先，尝试在不加苯硼酸的情况下进行反应，并没有获得3-(2-氧代-2-苯乙基)苯并呋喃-2-甲腈（6a）（图5a）。此外，在标准条件下进行了分子间竞争实验（图5b）。查尔酮（7a）和2-苯氧基乙腈（7b）各自与苯硼酸反应分别产生了82％和91％的1,3,3-三苯基-1-丙酮（8a）和1-苯基-2-苯氧基-1-乙酮（8b）。同时含有等摩尔量的7a和7b与苯硼酸的竞争实验发现，使用7b时更容易发生转化。该观察结果表明，在钯催化的加成反应中，芳基硼酸优先与氰基反应。

 

图5. 控制实验

（来源：Org. Lett.）

根据以上实验结果，作者提出了一种合成苯并呋喃[2,3-c]吡啶的可能机理（图6）。首先，钯催化剂和芳硼酸发生转金属，然后氰基与Pd配位形成中间体A。随后，氰基的碳钯化得到亚胺钯中间体B。在TFA存在下，B质子化产生亚胺中间体C（或亚胺互变异构成烯胺中间体D），并释放出钯催化剂。中间体C或D发生分子内Michael加成得到中间体E，然后环化生成中间体F。最后，中间体F氧化形成稳定的π-共轭苯并呋喃[2,3-c]吡啶骨架。

图6. 可能的机理

（来源：Org. Lett.）

总结：陈久喜课题组成功地实现了Pd(II)催化2-(氰基甲氧基)查耳酮与芳基硼酸的串联反应，为合成一系列通常传统路线难以制备的有价值的苯并呋喃[2,3-c]吡啶提供了新的策略。通过使用噻吩-3-基硼酸作为偶联试剂，该化学方法还可用于合成1-(噻吩-3-苯基)苯并呋喃[2,3-c]吡啶。并且在扩大荧光材料的类型和应用方面，苯并呋喃[2,3-c]吡啶具有重要的现实意义。

该研究成果发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.9b04185）。文章的第一作者是温州大学2018级硕士生熊文章，研究得到了课题组其他研究生和老师的协助。光物理性质部分由北京理工大学博士研究生雷云祥完成，通讯作者为陈久喜教授。研究工作得到国家自然科学基金委（21572162）和浙江省自然科学基金（LY16B020012、LQ18B020006）的经费资助。

 

熊文章（第一作者）