炔烃参与的过渡金属催化的C-H活化/杂环化研究

冯思敏

（陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西西安710075）

杂环是各种天然产物、材料和药物分子的关键结构，因此建立高效的制备方法成为国内外有机化学工作者研究的重要课题。通过过渡金属催化将C-H直接官能化，为直接构建C-E键（E为C、N、S或O）提供了一种环境友好且经济的步骤，已成为绿色、可持续化学领域不可或缺的驱动力。直接将C-H键功能化彻底改变了传统复杂、耗时的合成思路。从易于合成的起始原料开始，采用过渡金属催化直接实现C-H键官能化反应的开发为实现杂环序列提供了新的途径。

多种有机π组件，例如炔烃、烯烃和丙二烯已逐渐参与到C-H键活化构建杂环的反应中。因此，炔烃作为重要的有机π组分，越来越受到有机工作者的的关注。基于此，总结了炔烃作为有机π组件通过C-H活化反应构建稠合杂环的研究进展。以下分别概述了在Rh、Ru、Pd、Co催化的条件下，炔烃参与的C-H活化/环化反应。

1 Rh催化

Rh（Ⅲ）催化下C-H键活化，随之与炔烃发生的环化反应经常被用作构建各种杂环的有力工具。如图1所示，Guimond等[1]在Rh（Ⅲ）催化下，通过苯氧肟酸与炔烃发生环合反应生成异喹诺酮衍生物。该反应在温和的条件下运行，对空气或湿气不敏感，且不需要外部氧化剂，而是N-O键直接氧化促使C-N键的建立，以及催化剂的重新生成。这种反应可以在其他杂环的形成和功能化中找到更广泛的用途。

图1 Rh（Ⅲ）催化下C-H活化反应合成异喹诺酮

Rh（Ⅲ）催化反应广泛使用苯甲酰胺、乙酰胺、亚胺、酮和羧酸等羰基衍生物作为导向基团，这说明了这种反应性概念的实用性。但据我们所知，芳基磺酰胺尚没有被Rh催化剂研究。如图2所示，Pham等[2]在2012年证明了酰化磺酰胺是Rh（Ⅲ）催化的C-H键活化的合适导向基团，环金属化的中间体很容易与各种内部炔烃反应，并迅速而广泛地获得苯丙磺内酰胺。

图2 Rh（Ⅲ）催化的C-H活化反应合成苯并磺内酰胺

就生物碱、肽和蛋白质而言，吲哚是一类重要的芳香族杂环。如图3所示，有研究开发出通过使用无痕亚硝基导向基团进行氧化还原的C-H活化和环化反应[3]。该方法具有操作简单、无外部氧化剂或添加剂、底物范围广、反应条件稳定的特点。对于不对称结构的内部乙炔，具有良好甚至优异的区域选择性。N-亚硝基官能团既用作C-H活化的导向基团，又用作催化剂转换的内部氧化剂。

图3 Rh催化的C-H活化反应合成吲哚

如图4所示，有研究开发了一种Rh（Ⅲ）催化的吡啶-2（1H）-1衍生物与炔烃的氧化环化反应，可通过双C-H键活化反应构建4H-喹啉嗪-4-酮和4H-苯并喹啉-4-酮[4]。该反应具有原料容易获得、操作简单、底物范围相对较宽和官能团耐受性良好等特征。

图4 Rh（Ⅲ）催化的双C-H键活化反应

2 Ru催化

如图5所示，Krieger等[5]揭示了一种钌催化的w-炔基苯氧肟酸酯环化反应的新合成思路，为合成多样化新型大环异喹诺酮提供了新的途径。实验中缓慢加入添加剂和外部氧化剂，与多种底物相溶，成功制备具有12～20环的21种大环异喹诺酮。

图5 钌催化的C-H活化反应合成大环异喹诺酮

如图6所示，Ackermann等[6]首次报道了通过1-卤代炔烃的C-H/N-O环化反应实现4-取代异喹诺酮的构建。因此，通用的双羧酸钌（Ⅱ）能够在反应温度为25 ℃的条件下，用炔基溴化物进行C-H活化，具有足够的范围和较高的官能团耐受性。

图6 常温下钌催化的C-H活化反应

3 Co催化

如图7所示，NaClO3首次被证明是催化C-H活化反应中的一种高效通用氧化剂。Ran等[7]开发了一种Co催化的芳基磺酰胺与末端炔烃/内部炔烃的环化反应，用以合成磺内酰胺。大量的磺酰胺和炔烃可以转化为具有高区域选择性的所需产物，具有良好的产率。

图7 Co催化的C-H活化反应合成苯并磺内酰胺

如图8所示，Planas等[8]研究了一种新的共催化方案，该方案从易于制备的芳基磺酰胺和炔烃开始，合成了苯并磺内酰胺序列。与Rh催化相比，该方案采用广泛取代的芳基磺酰胺和炔烃，显示出优异的区域选择性。因其良好的反应性和选择性，使得Co催化有望取代元素周期表中第二排昂贵的过渡金属催化构建杂环。

图8 Co催化的C-H活化反应合成苯并磺内酰胺

如图9所示，Kuai等[9]开发了一种将吡啶甲酰胺用作无痕导向基团的Co催化苄基酰胺与炔烃的环合反应，以合成异喹啉。该方案具有广泛的底物范围，内部芳基、脂肪族炔烃及末端炔烃均可以有效地用于该反应，对官能团表现出良好的耐受性和极好的区域选择性。在该反应中，氧气被用作唯一的氧化剂。

图9 Co催化的C-H活化反应合成异喹啉

如图10所示，Xu等[10]开发出Cp联合Co（Ⅲ）催化的N-甲氧基酰胺和炔二酮的C-H官能化串联反应，用于在氧化还原条件下，反向区域选择性的炔烃插入合成吲哚并咪唑支架。该反应显示出优异的官能团耐受性，有利于后期官能化。

图10 Co催化的C-H活化反应合成吲哚并咪唑支架

4 钯催化

吡咯环是一种核心结构，存在于多种天然产物、有机材料和药物中，也是重要的工业合成单元。如图11所示，Loh[11]已经开发了钯催化的酰胺和内部炔烃环化反应，以良好的收率制备了多取代的吡咯。该反应中底物耐受性较好、反应条件相当温和，仅使用氧分子作为氧化剂用以实现钯催化剂的循环。

图11 Pd催化的C-H活化反应合成吡咯

如图12所示，Shu等[12]开发了一种有效的多相、可循环利用催化体系，用于在温和条件下通过C-H活化用苯甲酰胺和炔烃直接合成异喹诺酮。该反应具有广泛的底物适用性、良好的产率以及优异的区域选择性。研究中Pd/C催化剂循环使用了3次，但活性没有明显降低。

图12 Pd/C催化的C-H活化反应合成异喹诺酮

如图13所示，Wan等[13]利用钯催化，将炔烃和二溴苯基吡咯直接通过C-H环化反应来构建各种π共轭结构。该方法与各种供电子基团和吸电子基团如烷氧基、氯、酯和腈兼容，可以应用于进一步的合成转化中。在模拟的AM1.5G照射下，获得功率转换效率（PCE）为6.1%，足以表明该方法有望应用于有机光电材料的迅速组装。

图13 Pd催化的C-H活化反应合成多环芳烃

5 结语

目前，碳氢键活化构建杂环的合成研究是有机化学领域的一大热点，杂环对生命科学及有机光电材料等方面的重要性质，激励着人们不断探讨构建更原子经济的新方法去合成杂环。其中，炔烃作为有机π组件，以过渡金属催化碳氢键活化反应为制备杂环化合物提供了一个更广阔的前景。