Pt(IV)和Au(I)催化的吲哚基炔丙醇环化反应中金属控制的区域选择性1,2-甲基迁移

《Journal of Organometallic Chemistry》：Metal-Controlled Regioselective 1,2-Methyl Migration in Pt(IV)- and Au(I)-Catalyzed Cyclizations of Indole-Derived Alkynyl Alcohols

　　

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  DFT揭示了Pt(IV)-和Au(I)-催化环化反应的机理。
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  水介导的质子转移促进了两种体系中的脱水过程。
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  金属中心调节关键中间体的电子结构。
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  金属依赖的电子效应控制1,2-甲基迁移。
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  计算所得机理再现了实验观察到的区域选择性。

引言

过渡金属催化的环化反应为合成结构多样的碳环和杂环化合物提供了高效途径[[1], [2], [3], [4], [5]]。特别是，π-酸性金属中心对炔烃的活化促进了分子内亲核进攻，使得在相对温和的条件下实现环化、重排和成键过程成为可能[[6], [7], [8]]。这些转化已被广泛应用于天然产物、生物活性化合物以及其他结构复杂分子的合成[[9], [10], [11], [12]]。此类反应的产物受金属催化剂、配体、溶剂和底物结构的强烈影响，使得结构相似的底物可以经历不同的反应途径[13]。最近的一项金催化串联环化异构化研究还表明，溶剂极性和痕量水可以改变反应途径，并通过随后的烷基迁移过程改变所形成的产物[14]。计算研究也有助于阐明过渡金属催化炔烃环加成反应的基元步骤和选择性[15,16]。

吲哚衍生物是有机合成中的重要构建模块，2-吲哚基甲醇及其相关化合物已被应用于多种环化和环加成反应中[[17], [18], [19]]。咔唑是一种特别有价值的含氮杂环，因为它们存在于天然产物、药物和功能分子材料中。最近，吲哚衍生物底物的金催化反应提供了合成官能化咔唑的区域选择性方法。例如，Au(I)-催化的2-烯基吲哚与炔烃的苯环化反应无需吲哚保护基即可得到NH-咔唑[20]。最近报道了吲哚衍生物炔酮的区域选择性氢芳基化反应，作为温和条件下获得咔唑衍生物的替代途径[21]。

在此背景下，Qiu等人报道了PtCl₄或AuCl(PPh₃)与AgBF₄原位生成的阳离子Au(I)催化剂催化的1-(吲哚-2-基)-3-炔-1-醇的区域选择性环化反应[22]。两种催化体系以高选择性生成了不同的区域异构体咔唑，证明1,2-烷基迁移的方向可以通过选择合适的金属催化剂来控制。该反应最近也被作为烯炔环化化学中催化剂依赖途径控制的范例[13]。

为两种区域异构体产物A2和A3的形成提出了一种可能的机理，如方案1所示[22]。催化序列始于A1中炔烃部分与Pt或Au中心的配位，增加了CC三键的亲电性。随后吲哚环C3位置对金属活化炔烃进行分子内亲核进攻，形成六元环化中间体M1。羟基的质子化后消除H₂O生成阳离子中间体M2-a[22,23]。随后催化剂依赖的R³基团1,2-迁移引导反应生成A2或A3。

A2和A3的形成被归因于铂和金催化体系的不同反应途径。在PtCl₄催化下，环化中间体被提议采取乙烯基铂-碳烯共振形式M2-b，引导1,2-烷基迁移沿路径A进行并生成A2[22]。相反，由AuCl(PPh₃)和AgBF₄生成的阳离子Au(I)催化剂被提议促进沿路径B进行Wagner–Meerwein型重排。随后脱金质子化再生金催化剂并获得另一种区域异构体A3。

尽管提出了这一机理，该反应的几个重要方面仍未得到解决。特别是，基元质子转移和脱水步骤尚未确立，水作为质子穿梭的参与可能性也未得到考察。Pt和Au中心对环化中间体结构和电子性质的影响也尚不清楚。计算研究表明DFT计算可以为过渡金属介导反应中催化剂依赖的区域选择性提供分子水平解释[24,25]。然而，Pt-和Au-催化体系观察到的不同区域选择性的分子起源尚未确立。

在本工作中，使用密度泛函理论（DFT）计算研究了PtCl₄-和[Au(PPh₃)]⁺-催化的环化和1,2-迁移途径。比较了分子内质子转移和水辅助质子转移机理，确定了环化、脱水、脱金质子和甲基迁移步骤的自由能曲线。随后分析了关键中间体的结构和电子性质，以建立两种金属催化剂如何控制实验观察到的区域选择性。

各节摘要

计算细节

所有DFT计算均使用Gaussian 16, Revision C.01[26]进行。所有反应物、中间体、产物和过渡态的几何构型均使用M06泛函[27,28]进行优化。Pt和Au使用SDD有效核心势及相关基组[29]，其他所有原子使用6-31G(d,p)基组[[30], [31], [32], [33], [34]]。Au(I)催化循环使用阳离子[Au(PPh?)]?物种进行建模，与氯离子提取一致

结果与讨论

选择了Qiu等人实验研究的底物1-(吲哚-2-基)-3-炔-1-醇1（R¹ = Et, R² = Bu, R³ = Me）[22]作为计算模型。在室温下，PtCl₄以87:13的比例生成产物2和3，而由AuCl(PPh₃)和AgBF₄生成的阳离子Au(I)催化剂给出互补的2:3比例为2:98[22]。为了确定这种催化剂依赖区域选择性的起源，将反应分为三个主要阶段：

结论

总之，密度泛函理论计算表明，水介导的质子转移为PtCl?-和[Au(PPh?)]?-催化反应中的脱水序列提供了能量上优选的途径。互补的区域选择性源于关键Pt-和Au-含中间体的不同电子结构，这些结构引导随后的1,2-甲基迁移向不同位点进行。在Pt体系中，向C3的甲基迁移在能量上有利1.6 kcal mol?1

利益冲突

没有需要声明的利益冲突。

CRediT作者贡献声明

邱智涛：撰写初稿、可视化、研究、形式分析、概念设计。闫文鑫：撰写审校、方法学、研究。侯兴宇：撰写审校、资源。Felipe Fantuzzi：监督。曹超群：撰写审校。彭利芬：撰写审校。焦银春：监督、项目管理、资金获取。

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