JACS：金属铋（Bi）解锁新玩法-揭示有机金属催化合成芳基氟磺酰化物的基元步骤

通讯作者：Josep Cornella

第一作者：Marc Magre

研究背景

含氟磺酰基官能团的有机分子（R-SO₂F），在生理条件下具备均衡的反应性和稳定性，从而获得了化学和生物学领域的广泛研究。并且该功能在共价蛋白质抑制剂和生物探针等其他方面也有很好的应用前景。

然而，早前获得此类化合物，主要通过硫酰氯基团的Cl/F交换。直到2014年，点击化学（click-chemistry）中“硫（VI）氟化物互换”（SuFEx）概念的出现，为开发芳基和烷基氟磺酰化物提供了新思路。

目前，利用SO₂作为硫（VI）的来源，合成砜类和磺酰胺类化合物具有开创性。同时，也进一步实现了到（hetero）芳基氟磺酰化物的合成（图1A）。但却因为催化剂与亲电氟化剂不兼容，反应不得不拆分成两步完成。受此限制，依托主干基团催化合成氟磺酰化物仍然具有挑战性。

图1 (A) 现有合成芳基氟磺酰化物的方法；(B) 金属铋在有机合成中的催化方式；(C) 本文工作：有机铋（III）催化合成芳基氟磺酰化物。

成果简介

对此，马-普煤炭研究所Josep Cornella等发明了一种有机金属铋（Bi）催化剂，成功实现了一步催化合成芳基氟磺酰化物，相关研究成果发表在JACS。

研究人员基于之前的工作，发现Bi的二芳基砜（图2，3a-e）类配合物是最合适的催化剂。经条件优化筛选，结果显示，BF₄基团与Bi的配位在性能和分子量（MW）上展现出一定的优势；在Bi-二芳基砜类化合物的间位引入三氟甲基（CF₃-）和甲基官能团（Me），反应收率得到明显提升（yield：98%）；碱和分子筛（MS）的存在抑制了B-Ph或Bi-Ph键的质子化，有效避免副产物（苯）的产生。

表1 ^a 1a的反应浓度为0.05 mmol。1,4-邻二氟苯作为内标物，通过¹H和¹⁹F核磁共振确定收率。^b 使用CDCl₃:CH₃CN=5:1的混合物作为溶剂。^c 在0.2 mmol 1a条件下的收率。^d 没有使用MS。^e 使用DABSO（1.5当量）代替SO₂（1.5巴）。

在上述最优条件下，对底物进行拓展。从结果上看，无论是烷基、卤素等基团的引入（2b-d，2p-w），亦或是不同取代位置带来的电子和空间位阻效应（2g-m），整体的收率都比较理想。尤其对聚芳基氟磺酰化物的制备，已经基本持平最优收率（2n-o，yield：93%），揭示了有机铋催化剂的强大兼容性。此外，对杂环骨架的耐受性（催化剂克服了Bi（III）中心配位与强氧化剂的不相容性），是金属铋催化领域的一大进步。

表2 ^a 反应条件：1（0.2 mmol）、3c（5 mol %）、Selectfluor（0.3 mmol）、K₃PO₄（0.6 mmol）和4 Å MS（40 mg）溶于CHCl₃/CH₃CN（5:1，2 mL）混合溶剂中，70 °C，16 h。经过柱分离提纯后，测算材料的收率。^b 反应条件：1（0.17 mmol）、4（10 mol %）、NFSI（0.26 mmol）、K₂CO₃（0.51 mmol）溶于CHCl₃:H₂O（5%，2 mL）混合溶剂中，60 °C，16 h。经过柱分离提纯后，测算材料的收率。

在取得以上成果后，深入研究其催化作用机制将具有重大科研价值。因此，研究人员顺利合成5c化合物（Scheme 1A），通过调整一系列的氧化/插入顺序（Scheme 1B），发现5c化合物对SO₂具有高活性（7结构得到核磁、高分辨质谱和单晶衍射结果的证实），这才是合成目标产物的关键（Scheme 1C）。

机理1 ^a插图图片：7的三维分子结构。这种化合物的单元是二聚体。详细信息，请参阅SI。为了清晰起见，省略了H原子。

进一步推广该机理（Scheme 2），完美诠释了有机铋催化剂的循环机制，具体内容如下：金属铋催化剂与芳基硼酸类化合物发生转移金属化反应（TM），然后SO₂插入Bi-C键，形成铋亚磺酸盐中间体。最后，S（VI）氧化得到产物并伴随有机铋催化剂的再生。

这项研究阐述了有机铋催化循环机制，对研究其他有机金属催化具有指导作用，同时也拓宽了金属铋在有机合成中的应用。

文献信息

Redox-Neutral Organometallic Elementary Steps at Bismuth: Catalytic Synthesis of Aryl Sulfonyl Fluorides, JACS, 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c11463.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11463

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