柴 卓
安徽師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院
教授，博士生導(dǎo)師
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-9878-8814
烷基碳?xì)滏I是有機(jī)化合物中最為廣泛存在的一類(lèi)化學(xué)鍵, 其直接對(duì)映選擇性功能化反應(yīng)具有原子經(jīng)濟(jì)性及步驟簡(jiǎn)潔性等特點(diǎn), 是構(gòu)建各種手性碳中心的理想方法之一[1]. 近年來(lái), 以過(guò)渡金屬催化的不對(duì)稱(chēng)碳?xì)滏I活化[2], 以及高價(jià)金屬氧化物、金屬卡賓或氮賓參與的不對(duì)稱(chēng)碳?xì)滏I插入反應(yīng)[3]等策略為代表的前手性碳?xì)滏I的不對(duì)稱(chēng)官能化反應(yīng)得到了較快發(fā)展. 然而, 這些已發(fā)展的方法在反應(yīng)機(jī)制上的一些特點(diǎn)使得其在應(yīng)用于外消旋叔碳中心的C(sp3)—H鍵的活化時(shí)面臨一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題: 部分或完全的手性保持.目前, 該類(lèi)方法只實(shí)現(xiàn)了外消旋叔碳中心的C(sp3)—H鍵的動(dòng)力學(xué)拆分或?qū)τ硨?zhuān)一性功能化反應(yīng), 而如何實(shí)現(xiàn)此類(lèi)碳?xì)滏I的對(duì)映匯聚式官能團(tuán)化則是該領(lǐng)域研究中一個(gè)具有很大挑戰(zhàn)性的課題(Scheme 1a). 最近, Arnold等[4]利用酶催化首次實(shí)現(xiàn)了外消旋叔碳中心碳?xì)滏I的分子內(nèi)立體匯聚式胺化反應(yīng), 但是底物應(yīng)用范圍比較有限. 近年來(lái), 南方科技大學(xué)化學(xué)系劉心元課題組致力于基于銅/手性抗衡離子或陰離子配體的單電子轉(zhuǎn)移催化體系的發(fā)展研究, 實(shí)現(xiàn)了一系列自由基參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)[5-6]. 在前期工作的基礎(chǔ)上[5-7], 該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為利用自由基快速攫氫(HAA)可以形成前手性的三級(jí)碳自由基,后者再結(jié)合不對(duì)稱(chēng)銅催化可以實(shí)現(xiàn)外消旋叔碳中心C(sp3)—H鍵的對(duì)映匯聚式官能團(tuán)化. 近日, 利用上述策略, 該研究團(tuán)隊(duì)以銅/手性磷酸(CPA)作為單電子轉(zhuǎn)移催化劑, 利用外消旋的酮類(lèi)化合物與磺酰肼縮合, 通過(guò)中間體Int成功實(shí)現(xiàn)了三級(jí)碳?xì)滏I的立體匯聚式不對(duì)稱(chēng)胺化反應(yīng), 構(gòu)建了一系列含有四取代手性碳中心的二氫吡唑衍生物(Scheme 1b)[8]. 圖式1 外消旋叔碳中心C(sp3)—H鍵的不對(duì)稱(chēng)催化功能化 該反應(yīng)的反應(yīng)條件溫和, 展現(xiàn)了優(yōu)異的底物適用性(＞60個(gè)實(shí)例)和良好的官能團(tuán)耐受性: 芳基酮、烷基酮以及多種官能團(tuán)化的烷基支鏈底物都可以兼容, 并且可以應(yīng)用于手性螺環(huán)骨架的構(gòu)建, 實(shí)現(xiàn)了一系列不同結(jié)構(gòu)([5,6]-和[5,7]-螺環(huán))及官能化(碳環(huán)、氧雜環(huán)、氮雜環(huán)和環(huán)己烯等)手性螺環(huán)化合物的高效合成(Scheme2a). 此外, 該反應(yīng)也可以直接從酮類(lèi)底物出發(fā), 利用兩步“一鍋法”的方式得到預(yù)期產(chǎn)物. 反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)多樣性轉(zhuǎn)化, 可以合成一系列含有四取代碳手性中心的多取代吡唑啉衍生物、手性1,3-二胺以及手性雙季碳環(huán)丙烷化合物, 顯示了該反應(yīng)具有很好的應(yīng)用潛力(Schemes 2b～2c). 圖式2 代表性產(chǎn)物及轉(zhuǎn)化應(yīng)用 作者對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究, 并在此基礎(chǔ)上提出了可能的反應(yīng)歷程: 首先是Cu(I)/CPA協(xié)同活化氧化劑產(chǎn)生高活性的叔丁氧自由基和手性二價(jià)銅物種, 接著叔丁氧自由基攫取鍵能較弱的N—H鍵生成氮自由基, 經(jīng)分子內(nèi)不可逆的1,5-氫遷移得到前手性的三級(jí)碳中心自由基物種, 隨后結(jié)合了氮親核試劑的手性二價(jià)銅捕捉該烷基自由基物種形成了中間體Int, 最終實(shí)現(xiàn)了外消旋酮的三級(jí)碳?xì)滏I的對(duì)映匯聚式不對(duì)稱(chēng)胺化反應(yīng). 其中, 一價(jià)銅/手性磷酸起到了自由基物種產(chǎn)生的引發(fā)劑和C—N鍵形成中的手性控制的雙重作用. 劉心元團(tuán)隊(duì)利用一價(jià)銅/手性磷酸的協(xié)同催化體系, 巧妙地通過(guò)分子內(nèi)氫遷移的方式, 將外消旋酮中的三級(jí)碳?xì)滏I轉(zhuǎn)化為前手性的三級(jí)烷基自由基中間體, 后者在手性二價(jià)銅催化下以較慢的速度與氮親核試劑成鍵, 成功地實(shí)現(xiàn)了三級(jí)碳?xì)滏I的高對(duì)映選擇性立體匯聚式胺化反應(yīng). 這一研究成果豐富了銅/手性抗衡離子或陰離子配體的單電子轉(zhuǎn)移催化體系在自由基不對(duì)稱(chēng)化學(xué)中的應(yīng)用,也為發(fā)展新的不對(duì)稱(chēng)催化模式實(shí)現(xiàn)外消旋叔碳中心C(sp3)—H鍵的立體匯聚式官能化反應(yīng)提供了新的研究思路. 南方科技大學(xué)化學(xué)系劉心元教授課題組
該文發(fā)表在Chin.J.Org.Chem.2020,40(9):3001-3003. DOI:10.6023/cjoc202000058,
References
[1]You, S.-L. Asymmetric Functionalization of C—H Bonds, The Royal Society of Chemistry, RSC, Cambridge, U. K., 2015.
[2]Newton, C. G.; Wang, S.-G.; Oliveira, C. C.; Cramer, N. Chem.Rev. 2017, 117, 8908.
[3]Davies, H. M. L.; Liao, K. Nat. Rev. Chem. 2019, 3,347.
[4]Yang, Y.; Cho, I.; Qi, X.; Liu, P.; Arnold, F. H. Nat. Chem. 2019,11, 987.
[5]Gu, Q.-S.; Li, Z.-L.; Liu, X.-Y. Acc. Chem. Res. 2020,53, 170.
[6]Dong, X.-Y.; Zhang, Y.-F.; Ma, C.-L.; Gu, Q.-S.; Wang, F.-L.; Li, Z.-L.;Jiang, S.-P.; Liu, X.-Y. Nat. Chem. 2019, 11, 1158.
[7]Ye, L.; Tian, Y.; Meng, X.; Gu, Q.-S.; Liu, X.-Y. Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59,1129.
[8]Yang, C.-J.; Zhang, C.; Gu, Q.-S.; Fang, J.-H.; Su, X.-L.; Ye, L.;Sun, Y.; Tian, Y.; Li, Z.-L.; Liu, X.-Y. Nat. Catal. 2020, 3, 539.
