锰催化的吲哚向吲哚啉的氢转移反应:反应范围与机理研究

时间:2026年2月8日
来源:Journal of Catalysis

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新型硫脲亚胺膦配体及非夹心PN-Mn(I)配合物Mn1用于N-未保护吲哚的高效转移氢化,TOC高达7200,优于多数贵金属催化剂,并实现官能团兼容性。催化循环涉及外球面途径的C=N还原。

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徐颖|张志涵|王一洲|李龙飞|马宁|王正|李惠亮|马艳萍|孙文华
河北农业大学理学院,保定 071001,中国

摘要

我们开发了一系列新的配体(L1L8)和非钳型PN-Mn(I)复合物Mn1,这些配体和复合物含有咪唑啉结构,能够利用H3NBH3(AB)作为氢源,实现对未保护吲哚的转移氢化反应。该反应具有较高的转化率(TON高达7200),并且与多种官能团的兼容性良好,其性能超过了大多数用于该反应的贵金属催化剂。动力学研究、控制实验和DFT计算表明,中心氨基/酰胺基团的双功能活化步骤采用了协同的N–H和B–H活化路径,而氢化物/质子转移过程是决定反应速率的关键步骤。更重要的是,所提出的催化循环中,异构化的C-C键通过外层途径进行还原,而非传统的C-C键。此外,这一催化方法能够便捷高效地合成多种吲哚(26个实例)和饱和N-杂环化合物(如四氢小檗碱,2个实例)。

引言

吲哚是最重要的五元N-杂环化合物之一,在天然产物、药物和材料中广泛存在[1]。由于其具有抗菌、抗炎、抗真菌和抗肿瘤等生物活性,在自然界和生命活动中扮演着重要角色,因此人们投入了大量努力来探索高效且便捷的吲哚合成方法[2]。其中,吲哚的区域选择性还原被认为是构建这类化合物的最简洁有效的方法之一[3]。传统的还原方法通常使用硼氢化物(NaBH3CN或NaBH4)、硼烷(BH3-THF)以及活泼金属,在酸性条件下进行反应[2],[4]。然而,这些方法存在成本高、安全性差、毒性大、与官能团兼容性低等缺点[2],[4]。另一方面,使用H2和其他氢源的催化还原是一种替代且环保的方法[5]。在催化氢化领域[6],[7],[8],[9],对于N-保护的吲哚的氢化([6](c),[7](a),[8](c),[8](f))以及吲哚的不对称氢化([8],[9])已经取得了巨大进展。
由于NH基团的存在(会导致催化剂失活),大多数报道的体系在酸性介质中会将1-H-吲哚的C-C键还原为亚胺离子中间体,以保持催化剂的活性和选择性[6](b),[8](d),[8](e),[8](j)。然而,这些酸性试剂会腐蚀设备,增加成本,并引发一系列问题。同时,含有卤素(-Cl、-Br、-I)、-NO2和-C=O基团的吲哚容易发生脱卤或过度氢化等副反应,从而限制了其应用范围[9]。因此,在相对温和的条件下高效地催化区域选择性还原未保护的吲哚仍然是一个挑战。
利用HBpin[10]、HCOOH[11]、氨硼烷(H3NBH3AB[12]等作为氢源的催化转移氢化(TH)已成为吲哚氢化的另一种方法。其中,AB作为一种高效的TH试剂,在合成化学领域得到了广泛应用,因为它具有较高的氢储存密度(19.6 wt%)[14],可用于各种不饱和化合物(如腈类[15]、烯烃和炔烃[16]、酮类和亚胺[17]以及N-杂芳烃(如喹啉和喹唑啉)[12](b),[12](c),[12](d),[18]的氢化。然而,其在吲哚还原中的应用较为有限,主要局限于使用硼烷-Lewis酸(B(C6F5)3)[12e]或大多数贵金属复合物(Ru[12b]和Pd[12d])作为催化剂[12b]。但这些方法存在催化剂负载量高(5–10 mol%)和反应条件苛刻(80–120 °C)的问题。鉴于这一转化的挑战及其应用限制,迫切需要开发更具选择性、高效性和实用性的TH体系,以便在温和条件下实现未保护吲哚的区域选择性还原。
据我们所知,只有少数研究报道了基于碱金属的吲哚还原方法[12](a),[12](c)。受到我们之前关于高效Mn催化脱氢[19]和(转移)氢化反应[20]工作的启发,特别是使用NN-Mn(I)复合物[12](a),[20](a)对酮类和吲哚的TH研究,我们发现吲哚的转化率较低(TON最高为610)[12a],远低于酮类的转化率(TON高达10000)[20a]。基于我们在配体设计和均相转移氢化[20]方面的经验,我们认为通过在双齿膦胺(PN)配体中引入六元环来增加骨架的刚性,可以提高催化剂的活性和稳定性。本文报道了一系列新的配体(L1L8)和非钳型PN-Mn(I)复合物Mn1,它们在仅0.01 mol%的Mn1负载量下就能表现出优异的性能(TON高达7200),并且与多种官能团具有良好的兼容性。

实验步骤

通用程序

在氮气氛围下,将锰复合物(Mn1,2 μmol)和2 mmol的底物(3a3ac)与10 mol%的MeOK和8.0 mL干燥己烷混合,搅拌后加热至60 °C。在指定的反应时间(2.0–24 h)内,取0.10 mL反应混合物,立即用5.0 mL THF稀释并加入联苯,然后通过GC进行分析。粗产物通过柱层析(PE/EtOAc = 100/1至1/1)纯化,得到目标吲哚(4a4ac)。

配体(L1–L8)和锰复合物(Mn1)的合成

根据现有文献[21],磺酰胺-亚氨基膦配体(L1L8)可以通过相应单取代的N-((1R, 2R)-2-氨基-1,2-二苯基乙基)磺酰胺(1)与市售的2-二苯基膦苯甲醛(2)的缩合反应,以74–92%的产率获得[21](详见补充信息)。随后,将L1与Mn(CO)5Br在干燥的甲苯中于100 °C下反应20小时后,经过处理得到目标复合物[(PN)Mn(CO)3

结论

总结来说,我们合成了一系列新的磺酰胺-亚氨基膦配体(L1L8)和一种新型的非钳型咪唑啉基PN-Mn(I)复合物Mn1,用于利用H3NBH3AB)作为氢源对未保护的吲哚进行转移氢化。其中,Mn1或由MnBr(CO)5/L1原位生成的复合物表现出最高的催化活性(TON高达7200),能够还原含有-F、-Br、-Cl、-I、-OMe和-Me基团的多种吲哚。

CRediT作者贡献声明

徐颖:撰写初稿、方法学设计、实验研究。张志涵:撰写初稿、软件开发、方法学设计、实验研究。王一洲:方法学设计、实验研究。李龙飞:撰写、审稿与编辑、实验指导、软件开发、方法学设计、数据管理。马宁:方法学设计、实验研究。王正:撰写、审稿与编辑、实验指导、项目管理、资金申请、数据管理、概念构思。李惠亮:实验研究、数据分析。马艳萍:

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢河北省中央引导地方科技发展基金(项目编号:236Z1402G)的支持。

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