LiCl为何能加速有机锌试剂的形成

LiCl为何能加速有机锌试剂的形成

为了探究某一化学反应的作用机制,人们发展了越来越多的检测手段进行分析与验证。而随着反应类型的日益增多与复杂化,现有的分析方法有时无法满足人们对机理研究的需求。例如,德国慕尼黑大学的Paul Knochel教授在有机金属试剂(如格氏试剂、有机锌试剂)的研究中做出了重要的贡献。2006年,他发现LiCl可以加速卤代烃对金属Zn的插入形成有机锌试剂,而在此之前只有格氏试剂可以通过卤代烃直接插入金属单质的方式行制备。这一发现随后引领了一系列其他有机金属试剂的高效合成,如有机铟、有机锰、有机铝试剂等。

然而,人们对LiCl在加速有机锌试剂形成中所起的作用以及有机锌试剂结构的变化并没有一个明确的认识。以往的研究猜测,LiCl可能产生的影响如下:(1)LiCl可促进形成的有机锌试剂溶解,有效暴露锌金属表面继续参与反应;(2)LiCl可通过与卤代芳香烃的芳香环络合对其亲电活化,促进电子转移过程;(3)LiCl溶液具有高离子强度,可促进电荷分离,加速金属插入。但这些假设并没有得到相应实验的证实。

最近,美国加州大学欧文分校的Suzanne A. Blum教授结合单金属粒子荧光显微镜与核磁共振1H谱技术对这一问题进行了解释。单金属粒子荧光显微镜的灵敏度高达单分子水平,可提供基元反应中形成中间体的重要信息,克服了以往其他分析手段监测反应时灵敏度不足的局限。核磁共振波谱分析则提供了总反应速率与产物结构的信息。两者结合后可以得出不同锂盐对合成有机金属试剂每个基元步骤的影响以及有机锌试剂在溶液中的结构,从而为进一步拓展类似的盐促进效应以及其他类型的有机金属试剂奠定了重要的基础。相关工作发表在知名化学期刊J. Am. Chem. Soc.上。

LiCl为何能加速有机锌试剂的形成插图

▲单金属粒子荧光显微镜与核磁共振1H谱技术联用(图片来源:参考资料[1])

作者首先设计了单粒子荧光显微镜表征实验,以修饰荧光探针结构的碘代丁烷(1)作为氧化加成显像剂。荧光发光结构为氟化硼络合二吡咯甲川(BODIPY),可用于标记和跟踪碘代丁烷插入Zn单质形成氧化加成表面中间体(2)的反应位点。1未参与反应时在溶液状态下快速扩散,因此观察不到荧光成像,而当其对Zn氧化加成在金属表面形成2时,无机械扰动的情况下荧光发光基团保持静止状态,此时不发光的锌颗粒表面会出现亮绿色的“热点”。

LiCl为何能加速有机锌试剂的形成插图1

▲单金属粒子荧光显微镜分析方法流程图(图片来源:参考资料[1])

在未加入任何锂盐的情况下,亮绿色的2稳定存在,但加入LiCl后迅速溶解,荧光消失。作者还考察了其他的卤化锂(LiX, X = F, Br, I)盐及LiOTf对2的影响,发现LiBr、LiI同样可用作促进合成有机锌试剂的添加剂。他们还在未加入任何锂盐的情况下分别对体系进行搅拌和加热,实验结果表明,前者可使2发生部分溶解,后者则可使2大幅度溶解,但溶解速率明显慢于LiX (X = Cl, Br, I)存在的情况。这些重要的信息通过传统的检测手段是无法得到的,由此体现了荧光显微技术在灵敏度及空间定位方面具有极大的优势。

LiCl为何能加速有机锌试剂的形成插图2

图片▲荧光显微镜分析加入不同锂盐后反应体系的变化(图片来源:参考资料[1])

LiCl为何能加速有机锌试剂的形成插图3

▲荧光显微镜分析不加入锂盐的情况下不同操作对反应体系的影响(图片来源:参考资料[1])

LiCl为何能加速有机锌试剂的形成插图4

为了验证荧光显微镜观察到的结果是否能有效预测哪种盐可以促进有机锌试剂的合成,作者又进一步设计了核磁共振1H谱实验,以(2-碘乙基)苯(4)作为模板底物,研究其转化为相应有机锌试剂(5)的反应情况。他们发现在不加入锂盐以及加入LiX (X = F, OTf)时转化率较低(记作第1组),而加入LiX (X = Cl, Br, I)时几乎以定量的转化率发生反应(记作第2组)。由此可推断,第2组锂盐可溶解锌金属表面形成的氧化加成表面中间体(2),是加速形成有机锌试剂的重要原因。

与此同时,他们还通过核磁共振1H谱分析发现,两组实验得到的有机锌试剂α位亚甲基1H特征峰的化学位移与峰形明显不同,在溶液中具有不同的结构。第1组实验得到的有机锌试剂均为RZnI,而第2组实验则主要为R2Zn。基于以上实验结果,作者提出了锂盐促进有机锌试剂形成的理论与预测模型。

至此,Suzanne A. Blum教授通过实验证实了LiCl加速有机锌试剂形成的原因,并展示了将不同分析手段联用在探究反应机理中的重要作用。相比于传统分析手段,荧光显微技术在检测灵敏度方面表现出不可取代的优势。回顾以往机理研究中悬而未决的问题,人们或许可以考虑借助这一方法,设计合理的反应模型做进一步探索。

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