自由基过程的三氟甲基化反应探索(4)
图1.8 三氟甲基铜生成碘代苯反应体系
2011年,Stephen L. Buchwald[12]课题组发现，用Me3SiCF3或TESCF3和环己烯衍生物反应可以生成三氟甲基环己烯衍生物。该反应在钯作催化剂的条件下，拓展了以各类环己烯磺酸酯为反应底物，均可得到三氟甲基化的产物。
图1.9 Me3SiCF3或TESCF3和环己烯衍生物反应体系
1.2 三氟甲基自由基参与的C-C键形成反应
理论上三氟甲基自由基(•CF3)的产生,有以下三种方式: 第一种是三氟甲基化试剂在光照、高温、或者引发剂存在等条件下正常均裂产生三氟甲基自由基;第二种是通过氧化三氟甲基试剂进而产生三氟甲基自由基;第三种是三氟甲基试剂在还原剂的作用下产生自由基。
图1.10 三氟甲基自由基产生方式
1.2.1 三氟甲基化试剂均裂产生三氟甲基自由基
1960年左右的一些美国专利[13]及 Germain 等在1984年报道了光照、高温或者引发剂等条件下全氟烷基磺酰卤(RFSO2X)和三氟甲磺酰卤(CF3SO2X)均裂产生全氟烷基(RF•)、三氟甲基自由基(•CF3)、卤自由基(X•),且同时释放出有害气体二氧化硫(SO2), 与烯烃、炔烃、芳烃及其衍生物进行自由基加成反应[14]。
图1.11 全氟烷基磺酰卤和三氟甲磺酰卤均裂自由基加成反应
2006 年, Troyanov等报道了三氟甲基化试剂与富勒烯C60的三氟甲基化反应。富勒烯C60与三氟碘甲烷(CF3I)在440℃密封反应管中反应2天左右,最终以84%的产率得到C60(CF3)12、少量产物进一步反应三氟甲基化的副反应产生副产物C60(CF3)12+n 以及碘单质(I2)。产物C60(CF3)12易溶于丙酮，但是在大部分有机溶剂比如乙酸乙酯、二氯甲烷中不溶,仅仅通过洗涤就可以分离纯化得到八面体橙色晶体, 通过核磁共振分析（NMR）、X 射线单晶衍射分析确认了其结构。三氟甲基碳与富勒烯 C60上六元碳环的其中2个碳,分别形成了两个处于间位或对位的Csp3键。该反应实现了用三氟甲基化基团对富勒烯 C60的修饰, 改变了富勒烯 C 60 的导电性和溶解性, 在功能材料领域扩展了应用空间[15]。
图1.12 C60的三氟甲基化
1.2.2 三氟甲基试剂在还原剂作用下产生自由基
三氟碘甲烷(CF3I)和碘甲烷(CH3I)相比性质上存在很大差异。例如三氟碘甲烷(CF3I)不会和醇盐(ROM)反应得到三氟甲基醚(ROCF3)。三氟碘甲烷可以接收一个电子,形成阴离子自由基, 因为C-I键不稳定易分解产生三氟甲基自由基(•CF3)和碘离子(I- )。这是因为三氟碘甲烷既容易接受外来电子 同时它又带有很好的离去基团碘离子(Iˉ)。但碘甲烷(CH3I)作为亲电试剂和亲核的醇盐(ROM)反应,生成甲基醚(ROCH3)，该反应过程中并没有自由基产生。该反应现象也出现在像三氟甲磺酰氯、三氟甲基磺酰氟一类的三氟甲基磺酰卤(CF3SO2X)上，它如果得到了电子,将会产生三氟甲基自由基(•CF3)同时脱去卤离子(X -)和二氧化硫(SO2)。当然,全氟烷基卤化物（RFX)和全氟烷基磺酰卤(RFSO2X)也会发生类似的过程，产生自由基进行进一步反应。值得一提的是, 黄维垣等研究探索了通过亚磺化脱卤产生全氟烷基自由基(RF•)的重要方法。在温和的反应条件下,全氟烷基卤化物被含硫还原剂(如 Na2S2O4、Na2S、NaHS、NaHSO3、Na2SO3)所还原,与烯烃或者炔烃反应高效地生成三氟甲基化合物产物。
2012 年,Buchwald 等[16]在总结了前人的成果后，改变了催化剂的类型，进一步探索二价铁催化下, Togni 试剂作为三氟甲基源参与的烯烃基三氟硼酸钾盐的反应,合成了三氟甲基取代烯烃。令人好奇的是,无论是顺式(Z型)还是反式（E型）的烯基三氟硼酸钾盐底物,都可以与Togni 试剂实现该反应, 但呈现出高选择性的特性，产物基本是反式（E型）的三氟甲基烯烃。因此作者排除了氯化亚铁先被氧化到高价态, 接着烯基与三氟甲基之间发生还原消除的机理。作者通过进一步机理验证实验发现,使用Lewis酸Sn(OTf)2也可以实现该转化。但是作者还认为自由基机理有可能发生在该反应中,即亲电三氟甲基化试剂被氯化亚铁(FeCl2)还原产生三氟甲基自由基,原子发生双键均裂，再转移自由基加成生成自由基中间体,然后与（-BF3K）发生消除得到最终E型的三氟甲基烯烃产物。