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2025 , Vol. 45 >Issue 7: 2326 - 2334

DOI: https://doi.org/10.6023/cjoc202412002

综述与进展

锰催化的有机合成偶联反应进展

  • 王超 ,
  • 陈洪平 ,
  • 米明众 ,
  • 李澳文 ,
  • 齐燕 , * ,
  • 刘永军 , *
展开
  • 青岛科技大学化学与分子工程学院 光电传感与生命分析教育部重点实验室 青岛 266042

收稿日期: 2024-12-03

  修回日期: 2025-01-17

  网络出版日期: 2025-02-27

收起

Application of Manganese Catalysts in Coupling Reactions in Organic Synthesis

  • Chao Wang ,
  • Hongping Chen ,
  • Mingzhong Mi ,
  • Aowen Li ,
  • Yan Qi , * ,
  • Yongjun Liu , *
Expand
  • Key Laboratory of Optic-electric Sensing and Analytical Chemistry for Life Science, Ministry of Education, College of Chemistry and Molecular Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042
*E-mail: ;

Received date: 2024-12-03

  Revised date: 2025-01-17

  Online published: 2025-02-27

Fold

摘要

近年来, 使用丰富、廉价且低毒的锰催化有机偶联反应受到了广泛关注. 综述了锰在偶联反应中的应用进展, 重点研究其在碳-碳键及碳-杂键形成中的表现. 通过分析锰催化脱氢偶联反应、交叉偶联反应及其与其他金属的联合催化, 展示了锰催化在合成复杂分子中的潜力. 总结了锰的多种偶联反应机制, 并探讨了添加剂在反应中的关键作用. 研究表明, 锰催化剂具有高效、选择性好和环境友好等特点, 尤其在无受体脱氢偶联反应中表现出优异的催化活性, 但其机理探索和添加剂的优化仍具广阔的发展空间. 锰作为一种可持续资源, 未来在有机合成中的应用前景广阔.

关键词： 锰催化剂; 偶联反应; 脱氢偶联; 交叉偶联; 有机合成

本文引用格式

王超 , 陈洪平 , 米明众 , 李澳文 , 齐燕 , 刘永军 . 锰催化的有机合成偶联反应进展[J]. 有机化学, 2025 , 45(7) : 2326 -2334 . DOI: 10.6023/cjoc202412002

Abstract

In recent years, the use of abundant, cheap and less toxic manganese as catalysts for coupling reactions in organic synthesis has attracted widespread attention. This article aims to review the application of manganese catalysts in coupling reactions, focusing on their performance in the formation of carbon-carbon bond and carbon-heteroatom bond. By analyzing the manganese-catalyzed dehydrogenative coupling reactions, cross-coupling reactions and their combined catalysis with other metals, the potential of manganese catalysis in the synthesis of complex molecules is demonstrated. This article summarizes the various coupling reaction mechanisms of manganese reagents and explores the key role of additives in the reaction. Studies have shown that manganese catalysts have the characteristics of high efficiency, good selectivity and environmental friendliness, especially in the acceptor-free dehydrogenative coupling reaction, which shows excellent catalytic activity although there is still a broad space for development in its mechanism exploration and additive optimization. As a sustainable resource, manganese has broad prospects for application in organic synthesis in the future.

Key words： manganese catalysis; dehydrogenative coupling; cross coupling; organic synthesis

近年来, 寻找丰富、廉价且低毒的过渡金属替代贵金属, 已成为合成化学领域的重要课题之一[1]. 其中, 锰凭借其价格低廉、无毒且储量丰富的特点, 在可持续资源中占据了关键地位, 成为替代铂、钯、铑和铱等贵金属催化剂的理想候选者[2]. 锰催化剂具备良好的稳定性, 能够在室温下进行反应, 并且易于分离.
有机锰(II)试剂最早由Gilman和Balie发现, 他们通过苯基锂与碘化锰反应制备出碘化苯基锰和二苯基锰试剂. 此后诸如Tsutsui, Zeiss, 以及Corey和Posner等学者对有机锰试剂合成方法和活性展开了研究与探 讨[3-4]. 过渡金属催化的有机金属化合物与亲电试剂的偶联反应在有机合成中得到了广泛应用, 成为构建碳-杂键(如C—N、C—O、C—S)及碳-碳键的重要途径[5]. 这种反应显示出显著的催化活性, 选择性好, 增强了在功能化有机金属试剂偶联反应中的应用潜力[6]. 当前MnCl2已被广泛应用于催化芳基、乙烯基或烷基卤化物与多种有机金属试剂进行C—C键偶联反应[7,8]. 此外, 锰试剂在C—C键裂解中展现了出色的催化性能[9]. 本文将重点综述2006年至2024年间在有机锰试剂偶联反应方面的研究进展, 展示其在有机合成中的应用前景.

1 锰催化脱氢偶联反应

无受体脱氢偶联(ADC)是一种新兴的有机合成方法, 通过偶联不同的X—H键, 形成碳-碳、碳-杂及杂-杂原子键[10]. 该反应通过移除底物中的两个氢原子实现偶联, 不需要外加氧化剂或氢受体, 副产物仅为水和氢气, 且氢气可用作清洁能源[11,12]在醇类参与的ADC反应中, 醇通过脱氢生成活性中间体, 与亲核试剂或其他底物生成的中间体发生偶联, 实现醇类化合物的增值转化[10]. 近年来, 铁、钴和锰等金属催化体系在该领域取得了重要进展[13], 尤其是钳形锰配合物在亚胺、 酰胺、酯、烯烃及杂芳烃等合成中表现出优异的催化性能[11].

1.1 锰催化无受体脱氢偶联合成酰(亚)胺

酰胺键广泛存在于蛋白质、多肽和药物中, 约有25%药物含有酰胺基团[14,15], 因此高效合成酰胺在有机合成和药物化学中至关重要. 2017年, Milstein等[16]报道了一种利用丰产金属催化伯胺与醇(酯)脱氢偶联制备酰胺的方法(Scheme 1), 该反应由新型PNN钳形锰络合物催化, 氢气为唯一副产物, 具有高原子经济性且环境友好. 同年, 该团队[17]进一步报道了新型PNN锰催化甲醇与胺的无受体脱氢偶联, 成功合成甲酰胺(Scheme 2). 该反应无需添加氧化剂或受体, 脂肪胺和苯胺均能高效转化为相应甲酰胺, 尤其是对位有吸电子基团的苯胺反应产率较高.
图式1 醇(酯)与胺合成酰胺的反应

Scheme 1 Reaction of alcohols (esters) with amine synthetic amides

图式2 甲醇与胺合成甲酰胺的反应

Scheme 2 Reaction of methanol with amines to formamide

环酰亚胺广泛应用于镇痛药、降压药及抗结核药的合成[18]. 此外, 它在有机合成、生物学以及高分子化学领域中也具有重要作用[19]. 2017年, Milstein等[20]利用锰催化二元醇与伯胺的无受体脱氢偶联反应合成环酰亚胺(Scheme 3). 这一反应不仅在脂肪二胺的转化中表现出较高产率, 芳香胺同样能够顺利转化为相应的环酰亚胺.
图式3 二元醇与胺合成酰亚胺的反应

Scheme 3 Reaction of diols with amines to synthesis of amino acid

反应机制表明, 首先, 二元醇脱氢生成羟醛中间体, 该中间体与胺反应后, 发生环化生成内酯, 接着与胺反应生成羟基酰胺中间体. 羟基酰胺经过脱氢生成醛基, 最终通过分子内环化和进一步脱氢, 生成环酰亚胺. 2019年, Milstein等[21]设计了一种新型PNP钳形锰配合物催化剂, 借助氢化钾辅助实现了气态氨与苄醇无受体脱氢偶联合成酰胺(Scheme 4). 底物范围较窄, 其中供电子取代基苄醇相比吸电子基苄醇, 表现出更高产率. 机理研究揭示, 碱在反应过程中起到了至关重要的作用, 生成的醇盐通过延缓脱水步骤, 促进了选择性脱氢生成酰胺的过程.
图式4 醇与氨气合成酰胺的反应

Scheme 4 Reaction of alcohol to ammonia to amide

2020年, 刘强等[22]报道了锰催化甲醇与N,N'-二甲基乙二胺无受体脱氢偶联反应, 成功合成了双甲酰胺, 并进一步实现了加氢逆反应, 开发了理论氢容量为5.3%的储氢系统(Scheme 5). 在催化剂筛选中, PNP锰催化剂表现出高效脱氢能力, 双甲酰化产率达97%, 副产物仅包括少量单甲酰化物和咪唑烷. 在6.0 MPa H2下, PNN锰展现了优异的加氢活性, 几乎完全将双甲酰胺还原为二胺和甲醇. 这一可逆的脱氢/加氢体系为氢能的高效开发提供了新方向.
图式5 甲醇与二胺化合物的储氢体系

Scheme 5 Hydrogen storage system of methanol and diamine compounds

1.2 锰催化无受体脱氢偶联合成酯

酯基广泛存在于天然和合成有机化合物中, 因此, 酯化反应是有机合成中重要基础反应之一. Gauvin等[23]在2017年研究中报道了一种脂肪链PNP钳形锰二羰基配合物, 在无添加剂下能够催化两分子醇通过无受体脱氢偶联生成酯(Scheme 6). 催化体系展现了良好的底物适应性, 对多种芳香族和脂肪族醇具有良好催化效果. 然而, 对于空间位阻较大的醇或含供电子取代基的芳香醇, 反应产率相对较低. 此外, 1,4-丁二醇在此体系中可转化为γ-丁内酯.
图式6 醇偶联合成酯的反应

Scheme 6 Reaction of alcohol coupling into esters

2019年, Milstein等[24]改进了这一反应, 成功实现了芳香族和脂肪族伯醇的无氢受体脱氢酯化偶联反应(Scheme 7). 该方法无需外加氧化剂或氢受体, 具有极高的选择性(高达99%), 且产率可达93%. 其催化循环与Gauvin的研究类似: 首先, 催化剂与碱反应生成脱芳构化配合物, 该活性物种与芳香醇结合形成烷氧基配合物; 随后, 通过消除反应生成醛并释放氢气; 接着, 脂肪醇作为亲核试剂攻击醛羰基, 生成半缩醛中间体, 最终脱氢生成目标酯.
图式7 醇偶联合成酯的反应

Scheme 7 Reaction of alcohol coupling into esters

1.3 锰催化仲醇脱氢偶联合成醇(酮)

在2023年, 刘为萍与唐从辉等[25]合作研究, 通过使用钳形锰配合物催化剂(MACHOPh-Mn), 有效调整反应中氢气的利用率, 从而实现了对γ-二取代醇和β-二取代酮的选择性和分支性合成(Scheme 8)[26]. 值得注意的是, 该催化体系能够适应传统钌催化体系中尚未开发利用的1-烷基取代乙醇类化合物. 该方法具有温和的反应条件和广泛的底物适应性, 同时避免了使用传统氧化剂、还原剂以及昂贵金属催化剂的需求.
图式8 锰催化仲醇偶联合成醇(酮)

Scheme 8 Manganese-catalysed coupling of secondary alcohols for the synthesis of alcohols (ketones)

2 锰催化的交叉偶联反应

2010年, 袁宇等[27]研究显示, 邻卤代苯甲酰氯在MnCl2催化下与二烷基镁配合物(R2Mg•LiCl)发生高效串联交叉偶联反应, 生成对应的偶联产物(Scheme 9). 研究表明, 邻氯苯甲酰氯反应效果最佳, 当使用二芳基镁化合物时, 溴代和碘代苯甲酰氯的产率更高, 表明不同卤代基对反应活性具有重要影响. 然而, 对于间卤代或对卤代苯甲酰氯, 未观察到偶联产物生成, 反应具有高度的位点选择性. 该反应无法同时在芳环和羰基上引入相同的基团, 限制了其在某些结构复杂化合物中的应用.
图式9 二烷基镁配合物与邻代苯甲酰氯的串联交叉偶联

Scheme 9 Tandem cross-coupling of dialkyl magnesium complexes with o-benzoyl chloride

2007年, Rueping等[28]报道了一种在温和条件下实现高效锰催化交叉偶联反应的新方法, 适用于几种含氮杂环氯化物与苯基和烷基氯化镁的反应. 在1~5 mol% MnCl2存在下, 2-或4-氯喹啉衍生物能够在0 ℃至室温范围内, 与伯或仲烷基格氏试剂及苯基氯化镁顺利发生反应, 反应时间通常为1.5~4.0 h (Scheme 10)[28]. 研究表明, 不同纯度的MnCl2 (99.999%到98%)对产率几乎没有影响. 通常需要使用2~4倍量格氏试剂.
图式10 N-杂环氯化物与格氏试剂的交叉偶联反应

Scheme 10 Coupling reaction of N-heterocyclochloride with Grignard reagent

2008年, Cahiez等[29]报道了非活化烯基卤化物与芳基格氏试剂立体选择性偶联反应的拓展研究(Scheme 11). 反应需要较高负载的催化剂(10 mol% MnCl2), 某些情况下反应温度需升高至50 ℃, 特别是对于β,β-二取代烯基碘化物. 芳基格氏试剂在连有吸电子基团(如对氟)或较大位阻芳基(如邻甲苯基)时产率较低, 而给电子基团(对甲氧基、对NMe2基)则对产率影响不大. 烯基溴和碘化物反应性良好, 氯化物的反应性相对较差. 绝大多数底物都表现出高度立体特异性, 但(Z)-吡啶基-烯基碘化物会导致立体化学完全反转, 交叉偶联产物(E)-烯烃产率为71%.
图式11 非活化烯基卤化物与芳基格氏试剂的立体特异性交叉偶联

Scheme 11 Stereospecific cross-coupling of inactivated alkenyl halides to aryl Grignard reagents

2019年, 谢劲课题组[30]报道了一种全新的Mn(I)催化反应, 利用不饱和酰胺与有机硼酸选择性氢芳基化和氢烯基化反应. 该研究将烯基硼酸应用于Mn(I)催化碳碳键形成, 提供了一种合成五元和六元内酰胺的简便高效途径(Scheme 12). 此方法展示了优异的区域选择性和化学选择性, 具备良好的官能团兼容性, 且反应可在空气中顺利进行, 简化了操作条件. 这一突破性成果推动了锰催化在有机合成中的应用, 为未来开发新反应和合成策略奠定了基础.
图式12 Mn(I)催化烯烃的氢烯化反应

Scheme 12 Mn(I) catalyzes the hydrogenylation of olefins

2023年, 谢劲课题组[31]进一步报道了利用有机硼酸进行反应(Scheme 13), 通过引入二甲基硅醇作为定向基团, 有效地实现了末端炔烃的分支选择性水合烯烃化反应. 该反应不仅具有较好的条件兼容性, 还能够为有机合成提供多种结构多样的1,3-二烯及其衍生物. 通过研究, 进一步阐明了催化效率提升的机理, 拓展了Mn催化烯烃化反应的应用范围, 为类似反应的开发提供了重要的理论依据和方法学创新, 并且该课题组在2024年通过双聚锰(I)催化剂与手性氨基催化剂的协同组合解决共轭二烯醛与三烯醛专一地进行1,4-氢烯基化反应[32].
图式13 Mn催化的末端炔烃的支链氢烯化反应

Scheme 13 Mn-catalysed branched hydroalkenylation of terminal alkynes

2017年, Madsen等[33]在锰催化下尝试使用高纯度试剂和溶剂进行甲苯碘与苯基锡烷的交叉偶联反应. 然而, 多次实验始终未能观察到产物的生成(Scheme 14), 尝试使用CuI或NiCl2催化反应也未成功. 令人意外的是, 当极少量Pd(OAc)2 (0.003 mol%)存在时, 反应产率却从中等到良好. 这一结果对先前锰催化剂在反应中的作用提出了质疑, 并暗示钯污染可能是实际的催化剂来源.
图式14 Mn或Pd催化的交叉偶联反应

Scheme 14 Mn-catalyzed cross-coupling reactions

2008年, Cahiez等[34]开创性研究揭示, 空气中的氧气与格氏试剂作用能够有效地生成多种自身偶联产物(Scheme 15), 反应效率较高, 尤其是较为常见的芳烃体系. 然而, 对于具有较大位阻芳烃或缺电子芳烃(如C6F5), 该反应无法实现自身偶联, 表明自身偶联受限于其空间位阻和电子效应.
图式15 使用空气作为氧化剂的锰催化格氏试剂交叉偶联

Scheme 15 Manganese-catalyzed cross-coupling of Grignard reagents using air as an oxidizing agent

2017年, Madsen等[35]进一步探索了芳基格氏试剂的交叉偶联反应(Scheme 16). 通过降低催化剂负载量(从标准的20 mol%减少)、将偶联配体比例调整为2∶1, 并将反应温度降至－10 ℃. 在这些优化条件下, 带有p-OMe、p-NMe2、p-F或p-Cl取代基芳基格氏试剂几乎不生成自偶联副产物. 在此体系下, 这些试剂在与其他芳基格氏试剂偶联时表现出优异的配体性能, 即使是带有吸电子基团的格氏试剂也能实现良好产率, 而杂环类试剂的产率则相对较为一般.
图式16 锰催化格氏试剂与空气氧化交叉偶联

Scheme 16 Manganese-catalyzed extension of the heterocouplement of Grignard reagent to air oxidation

Atack等[36]于2016年提出锰催化的卤代烷与联硼酸频那醇酯交叉偶联反应, 提供了一种高效制备伯、仲、叔硼酸酯的策略. 在此反应中, 直链、支链及环烷基氯都能成功反应. 反应采用MnBr2和N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TMEDA)混合液作为催化剂(0.1~5.0 mol%), 并在二甲醚中室温下进行(Scheme 17). 该方法不仅操作简便, 且对多种底物展现出良好适应性, 成为合成复杂硼酸酯的重要途径.
图式17 锰催化C—B键形成交叉偶联反应

Scheme 17 Manganese catalyzes the formation of C-B bonds in cross-coupling reactions

李志平课题组[37]于2019年提出了通过锰催化剂、TMSN3和TBHP协同作用下进行烯烃叠氮过氧化反应的合成策略. 该方法能够从廉价易得的起始物中高效合成多种过氧叠氮化物. 反应在较为温和的条件下进行, 生成的β-过氧叠氮化物还可以进一步转化为叠氮羰基化合物、醛酮类产物和三唑类化合物等(Scheme 18). 这一合成路径为化学生物学、药物化学、超分子化学和材料科学等多个领域提供了新的研究方向.
图式18 锰催化的烯烃叠氮过氧化反应

Scheme 18 Manganese-catalyzed azide peroxidation of olefins

White等[38]于2019年使用新型的Mn(PDP)催化体系, 在选择性氧化远端叔C(sp³)—H键反应中表现出优异的性能. 该催化体系使用氯乙酸为添加剂, 能够在多种芳香和杂环基存在下高效完成氧化反应. 与传统Mn(PDP)/乙酸体系相比, 芳香族和非碱性氮杂环底物催化剂用量可降至0.1 mol%, 但Mn(PDP)/氯乙酸体系仍可在这些底物上实现10%~15%分离产率. 值得一提的是, 该体系在含有碱性氮杂环底物的远端C(sp3)—H羟基化反应中展现出卓越的效率(Scheme 19). 这为芳香族和杂环化合物的选择性修饰提供了一条温和而高效的新路径, 尤其在药物化学中具有广阔应用前景.
图式19 Mn(PDP)/ClCH2COOH催化叔碳氢羟基化的反应

Scheme 19 Mn(PDP)/ClCH2COOH catalyzes tertiary hydrocarbonylation

吡啶和嘧啶类化合物作为C—H活化常见高效导向基团, 已被广泛应用, 展现了显著的催化性能. 2019年,李兴伟团队[39]报道了锰催化下的异芳烃与丙炔碳酸酯脱氢氰化环加成反应. 在此过程中, 吡啶基和嘧啶基不仅引导了C—H烯丙化反应, 还通过分子内Diels-Alder反应及其逆反应(retro-DA), 实现了与另一反应部分的偶联, 最终生成碳环或杂环结构(Scheme 20). 这一过程有效结合了导向基团螯合作用和C—H活化, 极大地提高了环加成反应效率. 此外, 这些导向基团在复杂(杂)环结构合成中表现出优异的反应性, 为复杂分子合成提供了新方法, 展现出广泛应用前景.
图式20 锰催化异芳烃和丙炔碳酸酯的反应

Scheme 20 Manganese catalyzes the reaction of isoaromatic hydrocarbons and propynyl carbonates

3 锰与其他金属联用催化偶联反应

通过过渡金属催化将简单C—H底物转化为烯烃, 是一种高效且重要的合成途径. 近年来, 锰催化C—H烯烃化反应逐渐成为烯烃合成的有效方法, 补充了传统烯烃合成技术的不足[40]. 锰在有机合成中的应用不仅限于锰盐或简单配合物的使用, 还常与其他金属催化剂协同, 进一步增强反应效果并产生意想不到的效果.
Comasseto和Gariani等[41]发现除烯基卤化物和三氟甲磺酸酯外, 烯基碲化物也能在Mn/Cu催化下与芳基格氏试剂交叉偶联. MnCl2和CuI 1∶1混合物(各5 mol%)在温和条件下, 可实现多种烯基碲化物与苯基氯化镁的偶联反应, 产率中等到良好(Scheme 21). 与此相比, 仅使用MnCl2或CuI时, 产率非常低. 大多数底物包括苯乙烯、烯炔或α,β-不饱和羰基化合物的共轭烯基碲化物, 甚至是四取代烯基碲化物, 以及含有吸电子或供电子基团的芳基格氏试剂, 均可顺利反应. 除二取代酯底物会导致双键构型完全反转外, 其他底物均能在保持双键构型的情况下完成反应. 该反应机制仍有待进一步研究.
图式21 烯基碲化物与芳基格氏试剂的交叉偶联

Scheme 21 Cross-coupling of alkenyl telluride with aryl Grignard reagent

2018年, 张玉红等[42]使用Co(OAc)2•4H2O作为催化剂, 以苯酰胺和肟为起始原料, 成功构建了2,2-双官能团化联芳基化合物. 该反应在Mn(acac)2的协同下, 通过双螯合辅助C—H偶联反应, 实现了Co(I)到Co(III)的有氧氧化催化循环(Scheme 22). 该催化体系展现了显著的反应活性, 能够容忍多种敏感官能团, 表现出优异的官能团兼容性, 为合成复杂联芳基化合物提供了新途径.
图式22 锰和钴的联合催化反应

Scheme 22 Combined catalytic reaction of manganese and cobalt

2019年, Watson等[43]报道了一种以锰为还原剂、镍催化烷基吡啶盐与芳基溴交叉偶联反应(Scheme 23). 研究结果显示, 该反应适用于烷基吡啶盐和仲烷基吡啶盐, 并对多种官能团和杂环表现出较强的耐受性. 这一策略不仅拓宽了可使用的底物范围, 还为复杂分子的合成提供了更灵活高效的途径.
图式23 烷基吡啶盐与芳基溴的反应

Scheme 23 Reaction of alkyl pyridine salts with aryl bromide

2019年, Glorius等[44]利用Mn(I)/Ag(I)继电催化体系, 实现了(乙烯基)芳烃与重氮酮C(sp²)—H/C(sp³)—H偶联反应(Scheme 24). 该策略不仅适用于大规模制备, 还对多种酮衍生物具有普遍适用性, 底物种类广泛. 因此, 这一方法为天然产物后期多样化修饰提供了全新的合成途径, 拓展了其在有机合成中的应用前景.
图式24 Mn(I)/Ag(I)继电器催化的反应

Scheme 24 Mn(I)/Ag(I) relay catalyzed reaction

2020年, Suga等[45]使用由镍、锰和钛联合催化体系, 有效促进了苄基醇与烯基溴化物自由基交叉偶联反应(Scheme 25). 该反应体系不仅对多种苄基醇表现出适用性, 甚至对含有溴酯和硼酯基团的底物也能实现良好反应. 此外, 它在处理三取代烷基溴的偶联反应中, 特别是在空间位阻较大复杂底物时展现了显著的应用潜力, 这为复杂结构分子的偶联反应提供了更多可能.
图式25 Ni/Ti/Mn体系下苄基醇与卤代烷烃的反应

Scheme 25 Reaction of benzyl alcohols and haloalkanes in Ni/ Ti/Mn system

4 锰催化的其他偶联反应

4.1 Friedel-Crafts烷基化反应

与其他金属Lewis酸类似, 低价锰配合物能有效催化芳烃亲电取代反应以及极性不饱和化合物亲核加成反应. 在锰多羰基配合物中, 由于一氧化碳配体具有π-酸性, 金属中心表现出缺电子性, 呈现出一定程度Lewis酸性. 这一特性体现在以五羰基溴化锰为催化剂的苯甲醚Friedel-Crafts烷基化反应中[46] (Scheme 26a). 该反应产率较低, 但其对单烷基化高度选择性可能与多羰基锰配合物较弱的路易斯酸性有关.
图式26 锰催化的Friedel-Crafts烷基化反应

Scheme 26 Mn-catalyzed Friedel-Crafts alkylation reactions

(a) MnBr(CO)3-catalysed Friedel-Crafts alkylation; (b) Manganese(I)- catalyzed Friedel-Crafts alkylation

2011年, 顾彦龙等[47]报道了以MnCl2•4H2O为催化剂的吲哚与3,4-二氢吡喃的亲电取代反应, 合成了多种3-位烷基化吲哚衍生物(Scheme 26b). 研究表明, 2-萘酚可以作为有效底物, 而使用多种常见Lewis酸和Brøn- sted酸(如三氟甲磺酸钪、三氯化铟、三氟甲磺酸铋和对甲苯磺酸等)时, 原料会大量分解, 生成大量副产物, 显著降低目标产物收率. 研究推测MnCl2•4H2O优异催化效果可能与其相对温和的Lewis酸性有关[48].
此外, 周向葛等[48]进一步拓展了锰催化的应用领域. 他们采用二醋酸锰与手性salen配体催化体系, 实现了醛的不对称氰醇化反应. 该过程中, 二价锰与手性配体形成的手性锰配合物不仅能有效活化羰基, 还能提供手性诱导, 从而显著提高反应的对映选择性.

4.2 自由基反应

2012年, 高栓虎等[49]在合成2,4-吡咯烷二酮类天然产物fusarisetin时, 采用锰(Ⅲ)催化的分子内自由基环化反应, 结合氧气捕捉和氢原子攫取的串联反应, 成功实现了目标分子碳骨架的高效构建(Scheme 27a). 此策略通过多步串联反应显著简化了复杂分子的合成路径.
图式27 三价锰引发的自由基反应

Scheme 27 Mn(Ⅲ)-induced radical reactions

2013年, 李志平等[50]进一步揭示了硫酚与双羰基的氧化环化反应, 这是利用催化量锰进行氧化自由基环化少数反应之一(Scheme 27b), 扩展了锰催化自由基环化反应的应用, 为自由基化学提供了新方向.
2022年, 谢劲等[51]报道了Mn2(CO)10介导氢氟烷基化反应, 利用可见光Mn2(CO)10和配体原位生成的配位双核羰基锰配合物发生裂解, 形成相应的锰自由基, 将大量结构多样的末端和内烯烃, 能够均匀地进行氢氟烷基化等反应(Scheme 28). 这一方法具有广泛的底物适用范围、出色的功能兼容性, 突出显示了该方法的合成稳健性. 此外, 谢劲等[52]在2024年开发了配体调节金属自由基, 用于双核锰催化剂弥合有机金属化学和自由基化学之间的鸿沟, 突出烯烃的独特自由基功能化, 该方法加速超越双核锰催化的机制研究.
图式28 锰催化烯烃加氢自由基反应

Scheme 28 Manganese-catalysed olefin hydrogenation radical reaction

Madsen等[53]于2017年提出, MnCl2催化下的芳香卤化物与格氏试剂的偶联反应遵循SRN1机理, 并通过芳香卤化物的底物范围排除了其他潜在的反应机理. 当芳香卤化物为含有氰基或酯基的氯化物(位于对位)或氰基(位于邻位)时, 反应能够顺利进行(Scheme 29). 然而, 其他一些取代基未能有效转化芳香卤化物, 或产生副产物. 研究还表明, 反应中的自由基中间体能够被内部分子自由基取代基捕获, 但它更倾向于与格氏试剂发生偶联, 而不是与像环己二烯这类稳定的分子间自由基捕获剂反应.
图式29 锰催化氯甲基苯腈与格式试剂的自由基反应

Scheme 29 Manganese-catalyzed radical reaction of chloromethyl benzonitrile with Grignard reagents

5 结论

综述了近20年锰促进的偶联反应研究进展. 由于独特的催化性能和经济性, 锰逐渐成为有机合成中的重要工具. 对于金属试剂而言, 反应机理的深入研究至关重要, 明确锰在反应中的具体作用机制, 是优化催化反应的基础. 未来的研究应重点关注锰试剂反应路径和中间体表征, 以揭示其在偶联反应中的复杂行为.
添加剂的辅助作用同样是提升锰催化偶联反应效率的重要因素. 通过合理选择和优化添加剂, 不仅可以提高反应产率, 还可以改善反应选择性. 例如一些氮源、磷酸盐或其他配体在特定条件下能够显著增强锰催化活性, 促进反应进行. 因此, 未来的研究应当聚焦于筛选和设计新型添加剂, 以实现更高效和环境友好的催化体系.
此外, 锰的应用范围不断扩大, 从传统偶联反应延伸至更复杂的反应体系. 近年来研究表明, 锰催化剂在催化不对称反应和多组分反应中也表现出良好的性能, 这为有机合成提供了新策略和思路. 未来, 锰在这些新兴领域的应用研究将极大丰富其在有机化学中的角色.
总之, 锰在有机合成偶联反应中展现出强大反应性能与发展潜力. 未来的研究应继续深化对其反应机理的理解, 探索与其他金属或非金属试剂的协同作用, 并在更广泛反应体系中检验其催化性能, 促使锰有望在有机合成中发挥更加重要的作用, 开发新型反应策略和材料, 为化学领域带来更多创新与突破. 锰的研究与应用不仅为有机化学提供了重要工具和方法, 同时也为环境友好的可持续发展目标做出了贡献. 随着对锰特性和机理的进一步理解, 其在绿色化学和工业应用中的前景将更加光明. 我们期待未来的研究者能够继续发掘锰的潜力, 为有机化学的发展开辟新道路.
(Lu, Y.)

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
Bauer I.; Knolker H. Chem. Rev. 2015, 115, 3170.

[2]
Liu W.; Ackermann L. ACS Catal. 2016, 6, 3743

[3]
Tsutsui M.; Zeiss H. J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, 825.

[4]
Corey E. J.; Posner G. H. J. Tetrahedron Lett. 1970, 11, 315.

[5]
Li J.; Knochel P. Synthesis 2019, 51, 2100.

[6]
Haas D.; Hammann J. M.; Greiner R.; Knochel P. ACS Catal. 2016, 6, 1540.

[7]
Valyaev D. A.; Lavigne G.; Lugan N. Coord. Chem. Rev. 2016, 308, 191.

[8]
Cahiez G.; Cazin C. S. J.; Fache F.; Moyeux A.; Cossy J. M. De Gruyter 2016, 210.

[9]
Lu Y.-C.; West J. G. ACS Catal. 2021, 11, 12721.

[10]
Trincado M.; Bösken J.; Grützmacher H. Coord. Chem. Rev. 2021, 443, 213967.

[11]
Waiba S.; Maji B. ChemCatChem 2020, 12, 1891.

[12]
Cho Y. S.; Kim H. D.; Kim E.; Han S. H.; Han S. B.; Mishra N. K.; Jung Y. H.; Jeong T.; Kim I. S. Asian J. Org. Chem. 2020, 10, 202.

[13]
Subaramanian M.; Sivakumar G.; Balaraman E. Chem. Rec. 2021, 21, 3839.

[14]
Bray B. L. J. Nat. Rev. Drug Discovery 2003, 2, 587.

[15]
Carey J. S.; Laffan D.; Thomson C.; Williams M. T. Org. Biomol. Chem. 2006, 4, 2337.

PMID

[16]
Kumar A.; Espinosa-Jalapa N. A.; Leitus G.; Diskin-Posner Y.; Avram L.; Milstein D. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 14992.

[17]
Chakraborty S.; Gellrich U.; Diskin-Posner Y.; Leitus G.; Avram L.; Milstein D. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 4229.

[18]
Navakoski de Oliveira K.; Chiaradia L. D.; Alves Martins P. G.; Mascarello A.; Sechini Cordeiro M. N.; Carvalho Guido R. V.; Andricopulo A. D.; Yunes R. A.; Nunes R. J.; Vernal J.; Terenzi H. MedChemComm 2011, 2, 500.

[19]
Hargreaves M. K.; Pritchard J. G. Chem. Rev. 1970, 70, 439.

[20]
Espinosa-Jalapa N. A.; Kumar A.; Leitus G.; Diskin-Posner Y.; Milstein D. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11722.

DOI PMID

[21]
Daw P.; Kumar A.; Espinosa-Jalapa N. A.; Ben-David Y.; Milstein D. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 12202.

[22]
Shao Z.; Li Y.; Liu C.; Ai W.; Luo S. P.; Liu Q. Nat. Commun. 2020, 11, 591.

[23]
Nguyen D. H.; Trivelli X.; Capet F.; Paul J.-F.; Dumeignil F.; Gauvin R. M. ACS Catal. 2017, 7, 2022.

[24]
Das U. K.; Ben-David Y.; Leitus G.; Diskin-Posner Y.; Milstein D. ACS Catal. 2018, 9, 479.

[25]
Sun F.; Huang J.; Wei Z.; Tang C.; Liu W. Angew. Chem., Int. Ed. 2023, 62, e202303433.

[26]
Xie J.; Liu K. Chin. J. Org. Chem. 2023, 43, 3334 (in Chinese).

( 谢劲, 刘凯, 有机化学, 2023, 43, 3334.)

DOI

[27]
Zhang F.; Shi Z.; Chen F.; Yuan Y. Appl. Organomet. Chem. 2009, 24, 57.

[28]
Rueping M.; Ieawsuwan W. J. Synlett 2007, 2007, 247.

[29]
Cahiez G.; Gager O.; Lecomte F. J. Org. Lett. 2008, 10, 5255.

[30]
Wang D.; Dong J.; Fan W.; Yuan X. A.; Han J.; Xie J. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 8430.

[31]
Pang Y.; Chen S.; Han J.; Zhu C.; Zhao C. G.; Xie J. Angew. Chem., Int. Ed. 2023, 62, e202306922.

[32]
Zhao C. G.; Cai J.; Du C.; Gao Q.; Han J.; Xie J. Angew. Chem., Int. Ed. 2024, 63, e202400177.

[33]
Santilli C.; Beigbaghlou S. S.; Ahlburg A.; Antonacci G.; Fristrup P.; Norrby P. O.; Madsen R. Eur. J. Org. Chem. 2017, 2017, 5269.

[34]
Cahiez G.; Moyeux A.; Buendia J.; Duplais C. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13788.

[35]
Ghaleshahi H. G.; Antonacci G.; Madsen R. Eur. J. Org. Chem. 2017, 2017, 1331.

[36]
Atack T. C.; Cook S. P. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6139.

[37]
Chen Y.-H.; Tian T.; Li Z. P. Org. Chem. Front. 2019, 6, 632.

[38]
Chambers R. K.; Zhao J.; Delaney C. P.; White M. C. Adv. Synth. Catal. 2020, 362, 417.

DOI PMID

[39]
Zheng G.; Sun J.; Xu Y.; Zhai S.; Li X. Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 5090.

[40]
Hu Y.; Wang C. ChemCatChem 2019, 11, 1167.

[41]
Silva M. S.; Ferrarini R. S.; Sousa B. A.; Toledo F. T.; Comasseto J. V.; Gariani R. A. Tetrahedron Lett. 2012, 53, 3556.

[42]
Sun W.; Au C.-M.; Wong K.-W.; Chan K. L.; Ngai C. K.; Lee H. K.; Lin Z.; Yu W.-Y. ACS Catal. 2023, 13, 11389.

[43]
Liao J.; Basch C. H.; Hoerrner M. E.; Talley M. R.; Boscoe B. P.; Tucker J. W.; Garnsey M. R.; Watson M. P. Org. Lett. 2019, 21, 2941.

[44]
Lu Q.; Mondal S.; Cembellin S.; Glorius F. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 10732.

[45]
Suga T.; Takahashi Y.; Ukaji Y. Adv. Synth. Catal. 2020, 362, 5622.

[46]
Nishiyama Y.; Kakushou F.; Sonoda N. J. Bull. Chem. Soc. 2000, 73, 2779.

[47]
Li M.; Tang C.; Yang J.; Gu Y. Chem. Commun. 2011, 47, 4529.

[48]
Qu Y.; Jing L.; Wu Z.; Wu D.; Zhou X. Tetrahedron: Asymmetry 2010, 21, 187.

[49]
Yin J.; Wang C.; Kong L.; Cai S.; Gao S. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 7786.

[50]
Liu K.; Jia F.; Xi H.; Li Y.; Zheng X.; Guo Q.; Shen B.; Li Z. Org. Lett. 2013, 15, 2026.

[51]
Han J.; Han J.; Chen S.; Zhong T.; He Y.; Yang X.; Wang G.; Zhu C.; Xie J. Nat. Synth. 2022, 1, 475.

[52]
Wang F.; Dong G.; Yang S.; Ji C. L.; Liu K.; Han J.; Xie J. Acc. Chem. Res. 2024, 57, 2985.

[53]
Antonacci G.; Ahlburg A.; Fristrup P.; Norrby P. O.; Madsen R. Eur. J. Org. Chem. 2017, 2017, 4758.

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