Jacobsen-Katsuki环氧化反应的途径

在有机合成化学的发展历程中，有很多经典反应由于使用范围广、用途大并且稳定可靠而被收录为人名反应。其中，对关键活性中间体反应性质的深入理解成为其广泛应用的基础。在这样的背景下，一个有意义的挑战性问题是：用人名反应的典型条件，经过相同的关键活性中间体，如何才能改变人名反应的途径进而发展有机物质转化的新策略？近日，山东大学王瑶教授团队成功改变了Jacobsen-Katsuki环氧化反应的途径，建立了烯烃催化转化的新策略。

Jacobsen-Katsuki环氧化反应是一个有着近30年发展历史的经典人名反应。典型的反应条件如图1所示，PhIO等氧化剂能把(salen)Mn(III)氧化成关键活性中间体(salen)Mn^V=O,该活性中间体能够氧化各种烯烃而生成环氧化合物。由于该反应速率一般比较快，改变烯烃的环氧化途径是一个极大的挑战。例如，Kochi等人的原创性工作（J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 2309）就发现以PhIO为氧化剂，(salen)Mn(III)能在30分钟这样的短时间内快速把烯烃氧化为环氧化合物。因此，要改变Jacobsen-Katsuki环氧化反应的途径，首先要解决的一个关键科学问题是如何选择有效的的竞争试剂去拦截高活性的(salen)Mn^V=O中间体，通过精准控制其化学性质进而阻止其与烯烃发生环氧化反应。

图1. Jacobsen-Katsuki类型的环氧化反应。

王瑶团队设计了以下反应策略（图2）：在Jacobsen-Katsuki环氧化反应体系中加入一个含有弱C-H键的竞争试剂去拦截高活性的(salen)Mn^V=O中间体。在这个竞争反应过程中，(salen)Mn^V=O能够选择性攫取R-H的一个氢原子而生成底物自由基R•和(salen)Mn-OH，从而抑制经典的环氧化途径。因此，这个新反应策略成功的要素有三个：（1）加入的竞争试剂要能够和烯烃进行有效竞争并且与(salen)Mn^V=O反应的速率要远远大于烯烃; （2）新产生的自由基 要能够和烯烃进行有效的自由基加成反应; （3）要找到合适的试剂來捕获自由基中间体完成整个反应过程。

图2. 新反应策略的构建。

通过研究各种不同组合的竞争试剂发现醛和叠氮化钠能够改变Jacobsen-Katsuki环氧化反应途径。如图3所示，在经典环氧化条件下，以75%的产率得到了叠氮酮，环氧化途径被彻底抑制。作为对照，不加醛和叠氮化钠，能够以41%的产率得到环氧化合物。这个反应有广泛的底物适用性，所有代表性的醛，包括直链的、支链的和芳香性的醛都能参与反应。多种烯烃也可用于此转化，均能以较好的产率得到目标产物。缺电子的不饱和酰胺也可以参与反应。更有意义的是，含有多肽片段的化合物也能够进行酰化叠氮化的反应，进而生成含有叠氮官能团的多肽片段，为该类化合物后续化学生物学方面的研究提供了前提条件。

图3. 竞争实验。

这一成果近期发表在Chemical Science 上（RSC主编推荐：有机领域精彩文章^[1]）文章的第一作者是山东大学博士研究生张梁。