已开发出一种简单且实用的方案，可实现官能化单有机锌溴化物对环状α,β-不饱和羰基化合物的高效共轭加成，从而构建全碳季碳中心。
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摘要
摘要
有机金属试剂对α,β-不饱和羰基化合物的共轭加成是构建全碳季碳中心以形成C–C键的重要方法。尽管有机金属试剂的共轭加成通常使用高反应活性的有机锂试剂或格氏试剂进行，但有机锌试剂因其更高的化学选择性和温和的反应活性而受到关注。尽管近年来在更具反应活性的二烷基锌及混合二烷基锌试剂方面已有诸多进展，通过官能化单烷基锌试剂的共轭加成构建全碳季碳中心仍具挑战性。本实验方案详细描述了一种简便、温和的“一锅法”制备官能化单烷基溴化锌试剂，并经铜介导对其在环状α,β-不饱和羰基化合物上进行共轭加成，从而以普遍优异的产率和非对映选择性获得多种结构的全碳季碳中心。该技术的关键在于使用DMA作为反应溶剂，并以TMSCl作为路易斯酸。该方法的显著优势包括：采用DMA作为溶剂可使有机锌试剂的制备操作简便；此外，多种Cu(I)和Cu(II)盐均可高效介导共轭加成反应。而且，通过改进的后处理程序，可分离得到中间体硅基烯醇醚。该方法的底物适用范围仅限于环状不饱和酮，且共轭加成反应会受到稳定化（如烯丙基、烯醇负离子、同烯醇负离子）或空间位阻较大（如新戊基、o-芳基）的单烷基锌试剂的阻碍。对五元环和七元环底物的共轭加成反应有效，但产率低于六元环底物。
引言
碳-碳键的形成可以说是有机化学中最为重要且强大的转化反应。有机金属试剂对α,β-不饱和羰基化合物的共轭加成是构建碳-碳键的最通用方法之一，尤其在构建全碳季碳中心方面具有重要意义1,2。尽管有机金属试剂的共轭加成在季碳中心的构建中具有核心地位，但目前仍缺乏有效方法应对在这些反应中引入敏感官能团的挑战。事实上，在大多数此类转化中，通常选用高反应活性的有机锂试剂、格氏试剂或二有机锌试剂作为亲核试剂。然而，这些高活性的有机金属试剂与许多敏感官能团不相容，从而限制了α,β-不饱和羰基化合物和有机金属试剂本身的结构复杂性，常常需要在多步合成中使用保护基团或其他替代策略。
单有机锌试剂是一类具有吸引力的有机金属试剂，因其反应活性温和且对官能团的兼容性更高而受到广泛关注3,4,5,6尽管有机锌试剂对官能团具有优异的耐受性，并且可由卤代烃简便制备，但在向β,β-二取代的α,β-不饱和羰基化合物进行共轭加成以构建季碳中心的反应中，单有机锌试剂的应用实例仍然较少。7,8,9此外，这些转化通常需要化学计量的有毒氰基铜酸盐试剂，且有文献报道其催化剂的周转次数极低10,11,12,13本研究的目的是建立一种简单且实用的催化方法，用于将官能化的单有机锌试剂对α,β-不饱和羰基化合物进行共轭加成，从而构建全碳季碳中心。为此，我们开发了一种利用 N,N二甲基乙酰胺（DMA）作为溶剂，氯三甲基硅烷（TMSCl）作为路易斯酸，可实现一锅法铜催化（20 mol %）功能化单有机锌试剂对α,β-不饱和羰基化合物的共轭加成，高效构建多种全碳季碳中心14.
使用DMA作为溶剂相较于文献报道的方法具有若干显著优势。DMA可提高锌对有机卤化物的插入效率，从而避免了在醚类溶剂体系中需使用昂贵且易吸湿的添加剂（如LiCl）15。此外，该方法还将直接锌插入反应的适用范围从敏感且通常无法商业获得的有机碘化物扩展至更稳定且广泛可得的有机溴化物16。本文详述的方案可由多种有机溴化物生成烷基单有机锌试剂（2），该试剂可原位用于形成活性铜酸盐配合物，进而与环状α,β-不饱和酮发生共轭加成反应（图1）。DMA还使得反应可采用更廉价且毒性更低的铜源（如CuBr·DMS），从而避免了其他文献中使用CuCN所产生的化学计量的有毒废弃物10,11,12,13。我们的标准反应条件可适用于广泛的β-季碳酮类化合物（5）的合成，其中五元、六元和七元环共轭受体可通过中间体硅基烯醇醚（4）的水解获得。该中间体硅基烯醇醚表现出中等稳定性，并可通过改进的后处理程序以优异的收率分离得到。
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方案
警告：使用本实验方案中的化学品前，请查阅材料安全数据表（MSDS）。使用适当的个人防护装备（PPE），包括护目镜、实验服以及腈类或丁基手套，因为许多试剂和溶剂具有腐蚀性、毒性或易燃性。所有反应均应在通风橱中进行。本实验方案需将玻璃器皿用火焰烘干，并使用惰性气氛（氮气或氩气）。方案前两个步骤中使用的液体需用注射器转移。
1. 功能化单有机锌溴化物的形成16
- 在氩气保护下，向一个装有搅拌子的经火焰干燥的50 mL Schlenk反应瓶中加入锌粉（0.8173 g，12.50 mmol，2.5当量）、DMA（6.0 mL）和I2（126.9 mg，0.500 mmol，0.10当量）。在室温下搅拌悬浮液，直至棕橙色完全消失，形成灰色悬浮液。
注意：DMA易燃，具有急性毒性，且为轻度刺激物。 - 向上述灰色悬浮液中加入4-溴丁酸乙酯（6；1.43 mL，10.0 mmol，2.0当量）。将反应瓶浸入80 °C油浴中并剧烈搅拌，直至通过气相色谱（GC）分析观察到有机溴化物完全消耗。
注意：4-溴丁酸乙酯易燃，且为轻度刺激物。- 将一次性玻璃巴斯德吸管短暂浸入反应混合物中，取出后用约0.5 mL乙醚（Et2O）将样品冲洗至含有约0.5 mL饱和NH4Cl溶液的2 mL小瓶中。剧烈振荡小瓶，然后取有机层进行GC分析。
注：通过比较有机溴化物峰的消失以及质子化有机锌试剂峰的出现来判断反应进程，后者通常具有较短的保留时间。
注意：Et2O易燃，且具有急性毒性。
- 将一次性玻璃巴斯德吸管短暂浸入反应混合物中，取出后用约0.5 mL乙醚（Et2O）将样品冲洗至含有约0.5 mL饱和NH4Cl溶液的2 mL小瓶中。剧烈振荡小瓶，然后取有机层进行GC分析。
- 将单取代有机锌试剂冷却至室温。在惰性气氛下，本共轭加成反应的后续步骤可在此阶段暂停数小时至过夜，对共轭加成产物的收率影响极小。
2. 单取代溴化锌试剂对α,β-不饱和酮的共轭加成
- 将有机锌悬浮液在冰/水浴中冷却2O 浴中冷却约 5 分钟，然后加入 CuBr·DMS（205.6 mg，1.000 mmol，0.20 当量）和额外的 DMA（10.5 mL，相对于不饱和酮总体浓度为 0.30 M），搅拌反应约 10 分钟。
- 向冷却的悬浮液中加入 TMSCl（1.52 mL，12.0 mmol，2.4 当量），随后加入 3-甲基-2-环己烯酮13; 567 µL，5.00 mmol，1.0 当量）。约 30 分钟后撤去冷却浴，监测反应至α,β-不饱和酮通过薄层色谱分析消耗完全，或最长反应 24 小时。
注：薄层色谱分析使用硅胶涂层玻璃板，以4:1的正己烷-乙酸乙酯展开。 Rf 不饱和酮 13 = 0.15；硅基烯醇醚 37 = 0.61；酮产物 21 = 0.21。通过254 nm紫外淬灭进行可视化，随后 p-茴香醛染色。
警告：TMSCl 易燃，急性毒性，对皮肤有刺激性，且具有腐蚀性。3-甲基-2-环己烯酮易燃且具有急性毒性。
3. 萃取后处理与纯化
- 向完成的共轭加成反应中加入乙酸（1.5 mL，约5当量），以将中间体硅基烯醇醚水解为酮产物。使用步骤2.2中的条件，通过薄层色谱分析每隔约15分钟监测一次水解反应的进程。
警告：乙酸易燃且具有腐蚀性。- 若反应1小时后仍有硅基烯醇醚残留，可加入四丁基氟化铵（TBAF；THF中1 M溶液，每次0.5–1.0当量），以促进其完全水解，通过薄层色谱（TLC）可观察到水解完全。
- 向反应瓶中加入1 M HCl（15 mL），充分混合，然后将反应液转移至250 mL分液漏斗中。用Et2O (20 mL) 和 H2O（15 mL），将洗涤液一并加入分液漏斗中。轻轻振荡漏斗内容物，每次混合后均需放气，静置使其分层。将下层水相排入125 mL锥形瓶中，再将有机相排入另一个250 mL锥形瓶中。
- 将水层倒回分液漏斗，并用四份单独的 Et2O（每次30 mL，共4次），每次萃取后的有机相均加入含有机相的锥形瓶中。
- 将合并的有机相提取物加入分液漏斗中，依次用饱和水相 NaHCO₃ 溶液洗涤3 （25 mL），然后用饱和氯化钠水溶液（25 mL）洗涤。每次水相洗涤液均排入盛有水相的锥形瓶中，最后将有机层排入干燥的250 mL锥形瓶中。
- 用 MgSO₄ 干燥有机层4 并使用玻璃砂芯布氏漏斗将溶液抽滤至一个250 mL圆底烧瓶中。用少量额外的乙醚冲洗砂芯上的固体。2O.
- 在减压条件下使用旋转蒸发仪浓缩滤液。将含有剩余残余物的烧瓶置于高真空（约75–200 mtorr）下至少10分钟。取粗残余物样品进行分析 1使用 CDCl₃ 的氢核磁共振（¹H NMR）3.
- 通过使用硅胶（SiO₂）的自动快速柱色谱纯化粗油状物2）固定相，采用干法上样，并用乙酸乙酯的正己烷溶液洗脱。
- 通过将粗油溶于最小量的 Et2O，然后将该溶液转移至预装的 SiO₂ 柱中2 柱层析柱（25 g）。对加样柱底部施加约5分钟的减压，以除去多余的溶剂。
- 使用预装的SiO₂进行洗脱2 柱层析（100 g），以正己烷中乙酸乙酯梯度洗脱（5%） → 25%），将柱流出液收集于试管中。
- 使用薄层色谱分析（步骤2.2中的条件）检测各馏分纯度。将含有目标季碳酮的所有馏分合并，并用溶剂冲洗，收集至已称重的圆底烧瓶中。
- 在旋转蒸发仪上减压浓缩溶液，并在高真空下除去残留的挥发性物质至少30分钟。称量反应瓶的最终质量，并取纯化产物样品进行分析 1使用 CDCl₃ 的氢核磁共振（¹H NMR）3.
警告：己烷和乙酸乙酯易燃。SiO₂2 粉末为呼吸道刺激物。
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结果
采用这种高效的一步法方案，得到共轭加成产物乙基4-(1-甲基-3-氧代环己基)丁酸酯（21），为无色透明油状物（1.0372 g，4.583 mmol，92%收率）。1H 和 13C NMR 谱图见图2和图3，用于确认其结构和纯度。在1H 谱图分析中特别值得注意的是，δ 2.15 ppm 处出现一个两质子的AB四重峰，表明C2位上两个非对映异位氢存在自旋耦合；δ 0.94 ppm 处的三质子单峰对应于C1位季碳上的甲基。
4-(1-甲基-3-氧代环己基)丁酸乙酯（21）。Rf = 0.21（正己烷/乙酸乙酯 = 4:1）；1H NMR（400...
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讨论
本文所述方法旨在利用温和的官能团化单烷基锌试剂，通过简单高效的共轭加成反应合成β-季碳酮14。使用极性非质子溶剂DMA并加入TMSCl后，反应收率优异，且催化剂效率显著提高。DMA有助于单烷基锌试剂的形成，可促进锌直接插入易得的溴代烷中，从而制备多种官能团化的锌试剂16。
单烷基溴化锌的形成是本方案中最重要的步骤。当有机锌试剂的转化率达到完全时，在催化剂和TMSCl适当当量的条件下，我们已获得中等至优异的共轭加成反应效果。与典型的3小时反应时间相比，C-Br键附近取代基较多的溴代有机物进行锌插入反应的速度较慢，包括底物11（28小时）和底物12（80小时）。然而，在21–40 °C条件下，由9和10生成的稳定化苄基有机锌试剂的形成速度反而更快（约1小时）。尽管存在该温度差异，相应的官能化有机铜试剂在共轭加成反应中仍表现出良好的反应性能（2...
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披露
作者无竞争性财务利益。
致谢
作者感谢美国化学会（ACS）石油研究基金本科生新研究者计划（项目编号：58488-UNI1）、美国化学会与辉瑞公司（为 T.J.F. 提供 SURF 支持）、巴克内尔大学（为 T.J.F. 提供研究奖学金）以及化学系（为 K.M.T. 提供研究奖学金）对本工作的大力支持。感谢 Peter M. Findeis 博士和 Brian Breczinski 在实验和仪器方面提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯化铵 | |||
| Biotage Isolera One 快速色谱系统 | Biotage | ISO-ISW | 紫外/可见光检测（254、280、200-400 nm） |
| 氘代氯仿（D，99.8%） | Cambridge Isotope Laboratories | DLM-7 | |
| 溴化亚铜-二甲硫醚络合物，99% | Sigma Aldrich | 230502 | 对空气和湿气敏感 |
| 无水乙醚，99% | EMD Chemicals | MEX01906 | ACS |
| 4-溴丁酸乙酯 | Oakwood | 139400 | |
| 乙酸乙酯，99.9% | Fisher | E145-500 | ACS |
| 冰乙酸 | Oakwood | O35907 | ACS |
| HCl | 1 M 水溶液 | ||
| 正己烷，98.5% | EMD Chemicals | HX0299 | ACS |
| HP 6890 系列气相色谱仪 | HP | ||
| HP-1 气相色谱柱 | Agilent | 19091-60312 | 0.2 mm × 0.33 μm，12 m，7 英寸保护套 |
| 碘 | |||
| 无水硫酸镁，98% | EMD Chemicals | MX0075 | |
| 甲基烯酮 | |||
| N,N-二甲基乙酰胺，无水，99% | Alfa Aesar | A10924 | 经 3 Å 分子筛干燥 |
| 硅胶 | VWR | 86306-350 | 60 Å，40-60 μm |
| 碳酸氢钠 | |||
| 氯化钠 | |||
| 四正丁基氟化铵 | Oakwood | O43479 | THF 中 1 M 溶液 |
| 薄层色谱板 | EMD Milipore | 115341 | 6.5 × 2.2 cm²，预涂 F254 硅胶板（粒径 9.5-11.5 μm） |
| 三甲基氯硅烷，99% | Sigma Aldrich | 386529 | 对空气敏感 |
| 锌 | 粉末，经 HCl 洗涤 |
参考文献
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