2.2.2　羰基锰催化的C—H键对碳碳不饱和键的加成反应

2.2.2　羰基锰催化的C—H键对碳碳不饱和键的加成反应

经由锰金属有机中间体的当量C—H键转化反应研究，为进一步实现锰金属有机催化的C—H键官能化反应奠定了理论及实验基础。自1989以来，Liebeskind^[4]，Nicholson/Main^[7-9]，Woodgate^[10]及其他课题组^[11，12]陆续报道了当量锰金属有机中间体参与的芳烃C—H键对炔烃C≡C的加成反应。然而，锰催化的芳烃C—H键对炔烃的加成反应一直未见报道。2013年，王从洋课题组采用MnBr（CO）₅为催化剂，在催化量的二环己基胺（Cy₂NH）存在的条件下，首次实现了锰催化的苯基吡啶与端炔的邻位C—H键烯基化反应^[13]。在锰-碱催化体系作用下，利用2-苯基吡啶邻位的C—H键对端炔进行反马氏加成，从而高化学选择性、高立体选择性地生成了E-式烯烃。该反应具有良好的底物兼容性和官能团耐受性（图2-4）。

图2-4 首例锰-碱协同催化的键烯基化反应^[1]

MnBr（CO）₅和2-苯基吡啶的当量实验结果表明，Cy₂NH的存在能有效促进C—H键环锰化反应[图2-5（a）]。而DFT计算结果也表明，在Cy₂NH存在的条件下，C—H键断裂的活化能仅为12.5kcal/mol[图2-5（b）]。这说明碱的加入对于促进C—H键活化过程、降低C—H键断裂的活化能至关重要。在当量实验结果及理论计算结果的基础上，研究学者首次在锰促进C—H键活化反应中提出了锰-碱协同脱质子机制。如图2-5（b）所示，底物2-1在Cy₂NH辅助下脱除质子与MnBr（CO）₅形成环锰化合物Mn-3，随后经炔烃可逆配位和迁移插入生成七元环锰化合物Mn-5；另一分子炔烃与七元环锰化合物Mn-5配位后经配体间氢转移（ligand-to-ligand H-transfer，LLHT）形成邻位烯基化中间体Mn-7；底物2-1与中间体Mn-7发生配体交换释放出终产物2-3并形成炔基锰中间体Mn-8；最后中间体Mn-8经历分子内的σ-键复分解过程实现C—H键活化，同时完成活性中间体Mn-4的再生。整个催化循环反应是个放热过程，这在能量上是有利于反应正向进行的。

图2-5 锰催化的2-苯基吡啶与端炔的邻位烯基化反应的机理研究

早期Main/Nicholson^[9]和Suárez^[12]课题组通过锰杂五元环与炔烃的当量反应制备了锰杂七元环，并对其进行了详细的结构表征。但在王从洋课题组报道的烯基化反应中，锰杂七元环中间体Mn-5因其与炔烃的快速氢转移过程而难以被表征。2016年，Fairlamb和Lynam等在低温光照条件下实现了当量锰杂五元环Mn-9与苯乙炔生成锰杂七元环Mn-10的反应（图2-6）^[14]。他们发现在100℃、无溶剂的条件下，锰杂七元环Mn-10与苯乙炔发生氢转移可以形成烯基化产物2-4，而将反应温度升到室温后，锰杂七元环Mn-10则发生还原消除，得到吡啶盐类衍生物2-5。

锰催化的C_aryl—H键对炔烃的加成反应是构建芳基烯烃的有效途径。2015年，李福伟和雷自强课题组采用锰-碱-酸协同催化策略实现了吲哚2-位的C—H键烯基化反应^[15]。催化量的苯甲酸在催化循环过程中的质子传输作用是控制化学选择性的关键[图2-7（a）]。在没有苯甲酸存在的条件下，吲哚底物与炔烃发生环化反应得到咔唑衍生物。随后，Ackermann课题组采用流动化学的方法在锰-Brønsted酸催化作用下也实现了类似的烯基化反应[图2-7（b）]^[16]。他们认为，锰杂七元环与乙酸通过配位键和氢键形成六元环状过渡态2-6是生成烯基化产物的关键。而当没有苯甲酸加入时，反应则经历β-氧消除过程生成联烯基化产物。鉴于芳杂环导向基在后续转化过程中所面临的困境，王从洋课题组发展了Mn₂（CO）₁₀-NaOPiv·H₂O协同催化的芳香亚胺酸酯与炔烃的邻位烯基化反应^[17]。反应后，亚胺酸酯脱除一分子醇，最终生成了在合成上有用的单一反式邻氰基苯乙烯类衍生物[图2-7（c）]。此外，他们在MnBr（CO）₅-PhMgBr协同催化作用下，还成功实现了脒导向的芳烃邻位烯基化反应，以中等到优秀的收率获得了E-式苯乙烯类化合物[图2-7（d）]^[18]。

图2-6 当量七元环锰化合物的监测与转化反应(https://www.daowen.com)

图2-7 锰催化的键对炔烃的加成反应

锰金属有机化合物参与的当量反应^[3，6]表明C—Mn键能够实现对C═C键的加成反应。在前期研究结果^[13]的基础上，王从洋课题组于2014年报道了首例锰-碱协同催化的芳烃键对C═C键的加成反应^[19]。在标准条件下，该反应具有广泛的底物适用性和官能团兼容性，以中等到优秀的收率、高选择性生成单烷基化产物[图2-8（a）]。随后，宋毛平和龚军芳课题组以Mn₂（CO）₁₀为催化剂，在没有添加剂的条件下实现了N-吡啶导向的杂环芳烃键对缺电子烯烃的氢芳基化反应[图2-8（b）]^[20]。

图2-8 锰催化的键对烯烃的加成反应

联烯是另一类重要的含有碳碳不饱和键的化合物，控制C—Mn键对联烯加成反应的区域选择性是运用联烯构建新的C—C键的难点之一。2017年，Rueping课题组报道了锰催化的吲哚2-位键对联烯的加成反应^[21]。在MnBr（CO）₅催化剂及过量NaOAc存在的条件下，C—Mn键选择性地进攻联烯的中间碳，生成芳基烯烃类化合物[图2-9（a）]。此外，该反应的化学选择性还受到底物结构的影响。1，3-二取代联烯与吲哚衍生物高立体选择性、高区域选择性地生成烯基化产物；而三取代联烯在插入C—Mn键后发生Smiles重排，最终形成吲哚并吡咯酮类衍生物。王洪根和李清江等同时发现，吲哚与三取代及四取代联烯在MnBr（CO）₅的催化作用下能直接发生C—H官能化-Smiles重排串联反应，生成多元并环类化合物，反应过程中无须任何添加剂[图2-9（b）]^[22]。他们还在锰-碱协同催化体系内实现了不同于上述反应的区域选择性控制，即C—Mn单键选择性进攻联烯的端位碳，最终获得了烯丙基芳烃化合物^[23]。类似地，1，1-二取代联烯可以很好地参与反应并得到相应的目标产物，而三取代或四取代联烯则无法兼容于该反应[图2-9（c）]。

图2-9 锰催化的芳烃键对联烯的加成反应