本文描述了一种两步一锅法，用于将酮的烯醇化物发生极性反转生成烯醇阳离子中间体，并实现亲核试剂对α位的加成反应。适用的亲核试剂包括氯离子、叠氮化物、唑类、烯丙基硅烷以及芳香族化合物。
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摘要
摘要
通过高碘试剂实现烯醇盐极性反转对酮进行α-官能团化，是合成有机化学中的一个重要概念。最近，我们开发了一种两步策略，用于实现酮烯醇盐的极性反转，从而推动了使用唑类化合物进行氯化、叠氮化和胺化方法的发展。此外，我们还开发了碳-碳键形成的芳基化和烯丙基化反应。这些方法的核心是在加入活性亲核试剂之前，先制备中间体且高活性的烯醇𬭩物种。因此，该策略类似于经典合成化学中金属烯醇盐的制备与应用。该策略使得一些原本无法耐受强氧化性高碘试剂的亲核试剂得以使用。本文中，我们提供了氯化、叠氮化、N-杂芳基化、芳基化和烯丙基化反应的详细实验方案。所得产物包含在药物活性分子中常见的结构片段。本文将为其他研究者应用这些方法提供极大帮助。
引言
烯醇负离子是有机化学中经典的碳亲核试剂，也是应用最广泛的亲核试剂之一。通过将烯醇负离子进行极性反转，生成亲电性的烯醇阳离子类物种，可提供一种有价值的替代途径，用于制备α-官能团化的酮类化合物，并实现传统烯醇负离子化学无法进行的新颖反应。烯醇阳离子类物种已被提出作为多种反应中的中间体，特别是涉及高价碘试剂的反应。这些反应包括α-卤化、氧化、胺化1以及其他多种反应2,3,4,5。
然而，由于反应性烯醇阳离子物种具有瞬时性，这些反应的应用范围始终受到限制。这种瞬时性要求亲核试剂必须在羰基烯醇盐与强氧化性的高价碘试剂反应过程中存在于反应体系中。因此，任何容易被氧化的亲核试剂，例如富电子芳香族化合物（杂环）和烯烃，均无法使用。
在过去一年中，我们通过开发新的反应条件克服了这些局限性，使得烯醇氧鎓物种能够作为独立的中间体在第一步中形成，随后在第二步中加入亲核试剂。该方案不仅适用于经典的官能团化反应，例如氯化反应6，还可使用可氧化的碳亲核试剂，如烯丙基硅烷6,8、烯醇盐1,6,7以及富电子芳香化合物9，从而实现碳-碳键的构建。烯丙基化方法适用于季碳和叔碳中心的构建。酮的芳基化方法实现了芳香化合物的直接C-H键官能团化，且无需使用导向基团9。最近，我们还报道了唑类和叠氮化合物的加成反应10，以及其他相关反应11。本方案的详细展示将有助于将这些方法引入合成有机化学家的日常研究工具箱中。
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方案
1. 烯醇阳离子物种的制备
注意：在执行本方案之前，请查阅所有试剂和溶剂的材料安全数据表（MSDS）。
注意：所有新试剂均直接使用，未进行额外处理。若三氟化硼乙醚络合物已储存，请在使用前进行蒸馏。
- 在装有隔垫和磁力搅拌子的干燥圆底烧瓶中，加入Koser试剂（1.5当量），并用氮气或氩气吹扫烧瓶。
- 加入干燥的二氯甲烷 ，得到浓度为0.234 mol/L的悬浮液。
- 使用干冰/丙酮浴或低温探针仪器/丙酮浴将悬浮液冷却至-78 °C。
- 缓慢加入纯的BF3OEt2 （1.5当量）。
- 将该非均相混合物升温至室温，直至形成黄色溶液。通常在5分钟内完成。
- 将溶液冷却至-78 °C。
- 向冷却后的溶液中，在2–10分钟内（根据反应规模而定）逐滴加入三甲基硅基烯醇醚（1当量，0.313 mol/L）的干燥二氯甲烷溶液。硅基烯醇醚加毕后，烯醇𬭩物种的生成即完成。
注意：烯醇𬭩物种溶液可在-78 °C下保持至少30分钟，产率不会下降。在此期间，该物种是稳定的，这已由文献报道的核磁共振（NMR）研究证实6。
2. 烯醇阳离子物种的功能化
- 氯离子参与的氯化反应
- 向已制备的烯醇氧鎓物种溶液中，逐滴加入苄基-二甲基-癸基氯化铵（2.0 当量，1.25 mol/L）的无水二氯甲烷溶液。滴加速度应控制在使反应温度保持在 -55 °C 以下。在 0.5–2 mmol 规模下，5 分钟内完成滴加即可。
- 将反应混合物在 -78 °C 下继续搅拌 5 分钟。
- 撤去冷却浴，使反应混合物缓慢升至室温。
- 在室温下继续反应 20 分钟。
- 向反应混合物中加入水（体积为制备烯醇氧鎓物种时所用二氯甲烷体积的一半）。
- 用二氯甲烷萃取三次。通常在 0.5–2 mmol 小规模反应中，每次萃取使用反应体积 2–3 倍的二氯甲烷。
- 合并的有机相用饱和食盐水洗涤两次。通常使用与合并后反应体积相等的食盐水。
- 用无水硫酸钠干燥 30 分钟。
- 过滤除去硫酸钠（例如，通过硅藻土柱）。
- 在减压条件下，于 40 °C 使用旋转蒸发仪除去溶剂。
- 通过硅胶柱层析纯化粗产物，以正己烷和乙酸乙酯为洗脱剂，除去溶剂后得到纯净的目标 α-叠氮酮。
注：当三甲基硅基烯醇醚的用量为 0.5 mmol 至 2 mmol 时，建议使用直径 2 cm、装填标准硅胶 60、柱高（长度）15 cm 的玻璃层析柱。其他反应规模需相应调整柱体积。
- 使用 TMS-叠氮化物的叠氮化反应
注意：有机叠氮化合物通常具有爆炸性，操作和制备产物时应格外小心。TMS-叠氮化物具有毒性。使用前请查阅其材料安全数据表（MSDS）。- 向 -78 °C 下已制备的烯醇氧鎓物种溶液中，逐滴加入纯的叠氮三甲基硅烷（2.5 当量）。滴加速度应控制在使反应温度保持在 -55 °C 以下。在 0.5–2 mmol 规模下，2–3 分钟内完成滴加即可。
- 在 -78 °C 下继续搅拌反应混合物 15 分钟。
- 将反应混合物升温至 -55 °C，并在此温度下反应 2 至 3 小时。
- 向反应混合物中加入水（体积为制备烯醇氧鎓物种时所用二氯甲烷体积的一半）。
- 用二氯甲烷萃取三次。通常在 0.5–2 mmol 小规模反应中，每次萃取使用反应体积 2–3 倍的二氯甲烷。
- 合并的有机相用饱和食盐水洗涤两次。通常使用与合并后反应体积相等的食盐水。
- 用无水硫酸钠干燥萃取液 30 分钟。
- 过滤除去硫酸钠。
- 在减压条件下，于 40 °C 使用旋转蒸发仪除去溶剂。
- 通过硅胶柱层析纯化粗产物，以正己烷和乙酸乙酯为洗脱剂，除去溶剂后得到纯净的目标 α-叠氮酮。
- 与唑类化合物的反应
- 向 -78 °C 下已制备的烯醇氧鎓物种溶液中，逐滴加入溶解于 5 mL 二氯甲烷中的唑类化合物（4–5 当量，1 mol/L）溶液。在 0.5–2 mmol 规模下，5 分钟内完成滴加即可。
注：对于溶解性较差的唑类（如四唑类），应改用乙腈作为溶剂，浓度为 0.5 mol/L。滴加速度应控制在使反应温度保持在 -55 °C 以下。 - 在 -78 °C 下继续搅拌反应混合物 15 分钟。
- 将反应混合物升温至 -55 °C，并在此温度下反应 4 至 8 小时。
- 向反应混合物中加入水（体积为制备烯醇氧鎓物种时所用有机溶剂总体积的一半）。
- 用二氯甲烷萃取三次。通常在 0.5–2 mmol 小规模反应中，每次萃取使用反应体积 2–3 倍的二氯甲烷。
- 合并的有机相用饱和食盐水洗涤两次。通常使用与合并后反应体积相等的食盐水。
- 用无水硫酸钠干燥萃取液 30 分钟。
- 过滤除去硫酸钠。
- 在减压条件下，于 40 °C 使用旋转蒸发仪除去溶剂。
- 通过硅胶柱层析纯化粗产物，以正己烷和乙酸乙酯为洗脱剂，除去溶剂后得到纯净的目标 α-唑基酮。
- 向 -78 °C 下已制备的烯醇氧鎓物种溶液中，逐滴加入溶解于 5 mL 二氯甲烷中的唑类化合物（4–5 当量，1 mol/L）溶液。在 0.5–2 mmol 规模下，5 分钟内完成滴加即可。
- 使用烯丙基硅烷进行的烯丙基化、巴豆基化、肉桂基化和异戊二烯基化反应
- 在 -78 °C 下，缓慢加入纯的烯丙基-、巴豆基-、肉桂基-或异戊二烯基-三甲基硅烷（2 当量）。滴加速度应控制在使反应温度保持在 -55 °C 以下。在 0.5–2 mmol 规模下，2–3 分钟内完成滴加即可。
- 在 -78 °C 下继续搅拌反应混合物 10 分钟。
- 撤去冷却浴，使反应混合物缓慢升至室温。在室温下继续反应 20 分钟。
- 向反应混合物中加入水（体积为制备烯醇氧鎓物种时所用二氯甲烷体积的一半）。
- 用二氯甲烷萃取三次。通常在 0.5–2 mmol 小规模反应中，每次萃取使用反应体积 2–3 倍的二氯甲烷。
- 合并的有机相用饱和食盐水洗涤两次。通常使用与合并后反应体积相等的食盐水。
- 用无水硫酸钠干燥萃取液 30 分钟。
- 过滤除去硫酸钠。
- 在减压条件下，于 40 °C 使用旋转蒸发仪除去溶剂。
- 通过硅胶柱层析纯化粗产物，以正己烷和乙酸乙酯为洗脱剂，除去溶剂后得到纯净的目标 α-烯丙基化产物。
- 芳基化反应
注：进行芳基化反应时，为避免烯醇氧鎓物种发生主要的对甲苯磺酰化副反应，在制备烯醇氧鎓物种阶段应使用 3 当量的 BF3OEt2。通常情况下，芳香底物仅需 1.6 当量。然而，若芳香底物为吡喃、噻吩或吡咯类化合物，则使用 5 当量的芳香底物可获得最佳结果。- 向已制备的烯醇氧鎓物种溶液中，逐滴加入芳香底物的无水二氯甲烷溶液（1.6 当量，0.5 mol/L）。滴加速度应控制在使反应温度保持在 -55 °C 以下。在 0.5–2 mmol 规模下，5–10 分钟内完成滴加即可。
- 芳香底物加毕后，将反应混合物升温至 -55 °C，并在此温度下继续反应 20 分钟。
- 向反应混合物中加入水（体积为制备烯醇氧鎓物种时所用二氯甲烷体积的一半）。
- 用二氯甲烷萃取三次。通常在 0.5–2 mmol 小规模反应中，每次萃取使用反应体积 2–3 倍的二氯甲烷。
- 合并的有机相用饱和食盐水洗涤两次。通常使用与合并后反应体积相等的食盐水。
- 用无水硫酸钠干燥萃取液 30 分钟。
- 过滤除去硫酸钠。
- 在减压条件下，于 40 °C 使用旋转蒸发仪除去溶剂。
- 通过硅胶柱层析纯化粗产物，以正己烷和乙酸乙酯为洗脱剂，除去溶剂后得到纯净的目标 α-芳基化酮。
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结果
按照本方案操作后得到的代表性结果如图1所示，并在讨论部分进行阐述。值得注意的是，该反应可成功使用多种不同的酮类化合物，以良好的产率得到目标产物，这一点在叠氮化反应中已有体现11。该方法适用于在酮的α位引入多种常见的单环和双环含氮杂环化合物。烯丙基化反应的适用范围包括烯丙基、巴豆基和法呢基三甲基硅烷6，仅肉桂基化需要稍有不同的反应条件。在该情况下，使用3当量的BF3（与C-芳基化所需条件类似）可获得最佳结果。C-芳基化反应对吲哚和富电子苯衍生物均适用。噻吩、呋喃和吡咯也是良好的底物，但产物的分离产率略低9。我们已在0.5 mmol至2 mmol的三甲基硅基烯醇醚规模范围内对该方法进行了测试，只要严格按照操作步骤进行，产率无明显差异。在此规模下，柱层析采用直径为2 cm的玻璃柱，填充不同商业来源的标准硅胶60，柱高（长度）为15 cm。薄层色谱（TLC）...
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讨论
从TMS-烯醇盐成功制备烯醇氧鎓物种依赖于多个因素。在制备过程中主要的副反应是起始原料的同源偶联，即生成的烯醇氧鎓物种分子与TMS-烯醇盐分子发生反应。因此，反应条件的关键在于避免这种二聚化，确保路易斯酸活化的高价碘试剂与加入的TMS-烯醇盐之间的反应速率快于二聚反应的速率。本实验方案通过使用化学计量的BF3来活化并增溶Koser试剂，从而实现这一目标。许多高价碘试剂（包括Koser试剂）在常规有机溶剂中溶解性较差。因此，三氟化硼的作用具有双重性：首先，它通过增强其中一个配体（可能是对甲苯磺酰基）的离去能力，提高了Koser试剂的反应活性，从而确保其与TMS-烯醇醚快速反应；其次，活化后的Koser试剂具有很高的溶解性，尤其相较于未活化的Koser试剂而言。在加入TMS-烯醇醚之前，必须确认所有试剂均已完全溶解。为了确保反应顺利进行，需要使用少量过量的试剂。本方案中推荐使用Koser试剂和三氟化硼各1.5当量，这对初次使用者更为有利。然而，该反应也可在低至1.2当量的路易斯酸和高价碘试剂条件下同样成功进行。我们通常在0.5至2 mmol规模的三甲基硅基烯醇盐范围内进行所述实验操作，只要严格按照操作步骤执行，产率无明...
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
特此感谢阿瑞尔大学的启动资助以及授予 AMS 的以色列科学基金会个人研究资助（1914/15）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三甲基氯硅烷，98+% | Alfa Aesar | A13651 | TMS-Cl |
| 三氟化硼二乙醚络合物，98+% | Alfa Aesar | A15275 | BF3*Et2O |
| 2-甲基吲哚，98+% | Alfa Aesar | A10764 | 2-Me-indole |
| 羟基(对甲苯磺酰氧基)碘苯，97% | Alfa Aesar | L15701 | Koser试剂 |
| 苯乙酮，>98% | Merck | 800028 | |
| 正丁基锂己烷溶液，1.6 M | Aldrich | 186171 | nBuLi |
| 双(异丙基)胺 | Apollo | OR1090 | DIPA |
| 叠氮基三甲基硅烷，94% | Alfa Aesar | L00173 | TMS-N3 |
参考文献
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