化学漫谈009

本篇 post 我们来聊一聊不对称烯丙基取代反应（Tsuji-Trost reaction），有关该反应的基本情况、催化剂发展、选择性控制和应用等等。

起源

• tsuji-trost 的最初报道
• 催化剂的发展 Pd → 少量其他金属如 Mo, Ru, Rh, Ni, Cu → Ir

1997 年，Helmchan 和 Jansen 首次报道了由 Ir 催化的对映选择性烯丙基烷基化反应[1]。很快人们就发现 Ir 催化相比于 Pd 催化有一个显著特点：对于末端 LG 取代的烯丙基底物，Pd 催化倾向得到 linear 产物，而 Ir 催化倾向得到 branch 产物，配合不对称膦配体，往往能有非常高的区域选择性和对映选择性。正是因此，Ir 催化剂在近期得到了越来越多化学家的关注，相关的不对称催化反应、催化剂和机理研究也层出不穷[2]。

2003 年，Hartwig 课题组对 Ir 催化的不对称烯丙基取代反应机理和选择性问题展开了研究[3]，他们发现将 Ir 催化剂和膦配体混合在一起加入体系并不会发生反应，而是需要加入胺才能发生反应，说明单纯的配体交换无法产生 active-catalyst。Hartwig 等人的进一步研究指出，真正的 active-catalyst 是通过 C-H activation 过程生成的 metallacyclic Ir complex。

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Helmchan 和合作者的研究也得到了相同的结论[4]，他们使用烯丙基碳酸酯作为 electrophile，产生的 Ir complex 可以直接分离得到。X 射线单晶衍射实验也证明了 metallacyclic Ir complex 的存在。

进一步的动力学研究指出[5]：Ir 催化剂对烯丙基底物的氧化加成会得到稳定性不同的两种产物，且这二者之间也存在异构化转化，二者都能够被亲核试剂发生亲核取代反应从而得到最终产物。由于亲核取代过程的反应速率远比异构化过程的反应速率更快，因此氧化加成步是控制产物立体化学的决速步。

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根据我们上文提到的 Tsuji-Trost 反应机理，反应经历两次 $S_N2$-type 的构型翻转过程，因此总体结果是构型保持的。

另一个我们关心的问题是：如何解释 Ir 催化反应往往得到 branch 类型产物？早期的一些解释包括亲核试剂倾向进攻具有更长的 C-Ir 键的位点[6]、烯丙基 Ir 复合物正电荷分布[7]等。

比较系统的研究由

参考

[1]: Janssen, J. P.; Helmchen, G. First Enantioselective Alkylations of Monosubstituted Allylic Acetates Catalyzed by Chiral Iridium Complexes. Tetrahedron Letters 1997 , 38 (46), 8025–8026.

[2]: For review: Cheng, Q.; Tu, H.-F.; Zheng, C.; Qu, J.-P.; Helmchen, G.; You, S.-L. Iridium-Catalyzed Asymmetric Allylic Substitution Reactions. Chem. Rev. 2019 , 119 (3), 1855–1969.

[3]: Kiener, C. A.; Shu, C.; Incarvito, C.; Hartwig, J. F. Identification of an Activated Catalyst in the Iridium-Catalyzed Allylic Amination and Etherification. Increased Rates, Scope, and Selectivity. J. Am. Chem. Soc. 2003 , 125 (47), 14272–14273.

[4]: (a) Spiess, S.; Raskatov, J. A.; Gnamm, C.; Brödner, K.; Helmchen, G. Ir‐Catalyzed Asymmetric Allylic Substitutions with (Phosphoramidite)Ir Complexes—Resting States, Synthesis, and Characterization of Catalytically Active (π‐Allyl)Ir Complexes. Chemistry A European J 2009 , 15 (42), 11087–11090; (b) Raskatov, J. A.; Spiess, S.; Gnamm, C.; Brödner, K.; Rominger, F.; Helmchen, G. Ir‐Catalysed Asymmetric Allylic Substitutions with Cyclometalated (Phosphoramidite)Ir Complexes—Resting States, Catalytically Active (π‐Allyl)Ir Complexes and Computational Exploration. Chemistry A European J 2010 , 16 (22), 6601–6615.

[5]: Madrahimov, S. T.; Hartwig, J. F. Origins of Enantioselectivity during Allylic Substitution Reactions Catalyzed by Metallacyclic Iridium Complexes. J. Am. Chem. Soc. 2012 , 134 (19), 8136–8147.

[6]: Madrahimov, S. T.; Markovic, D.; Hartwig, J. F. The Allyl Intermediate in Regioselective and Enantioselective Iridium-Catalyzed Asymmetric Allylic Substitution Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2009 , 131 (21), 7228–7229.

[7]: Takeuchi, R.; Ue, N.; Tanabe, K.; Yamashita, K.; Shiga, N. Iridium Complex-Catalyzed Allylic Amination of Allylic Esters. J. Am. Chem. Soc. 2001 , 123 (39), 9525–9534.