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光催化C-C鍵活化新突破,四川大學(xué)曹偉地/馮小明團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)手性藥物骨架的高效不對稱合成

來源:化學(xué)加APP      2025-08-07
導(dǎo)讀:碳-碳單鍵的高效活化與精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化是合成化學(xué)的長期挑戰(zhàn)。近日,四川大學(xué)曹偉地/馮小明團(tuán)隊(duì)在《Organic Letters》發(fā)表創(chuàng)新成果:利用光驅(qū)動(dòng)協(xié)同催化策略,實(shí)現(xiàn)了苯并環(huán)丁烯酮與酮類化合物的不對稱[4+2]環(huán)加成,高效構(gòu)建含季碳立體中心的3,4-二氫異香豆素骨架。該技術(shù)為抗炎藥、降糖藥等藥物分子的后期修飾提供了新途徑(DOI: 10.1021/acs.orglett.5c02591)。

正文

苯并環(huán)丁烯酮(BCBs)因其環(huán)張力,是惰性C-C鍵活化的理想平臺(tái)。傳統(tǒng)方法依賴過渡金屬插入促進(jìn)C1-C2/C1-C8鍵斷裂(Scheme 1a)。曹偉地/馮小明團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑,利用光催化策略,區(qū)域?qū)R恍缘?/span>斷裂鍵解離能更低的C1-C8鍵。基于前期開發(fā)的BCBs與亞胺/醛的光催化[4+2]環(huán)加成(Scheme 1b策略,本工作進(jìn)一步將底物拓展至空間位阻更大的酮類化合物,成功實(shí)現(xiàn)不對稱轉(zhuǎn)化(Scheme 1c),為含季碳立體中心手性3,4-二氫異香豆素合成開辟新路徑。

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作者首先5-甲基苯并環(huán)丁烯酮(A1)和苯乙酮(B1)為模底物(1,使用手性雙氮氧配體L3-Pr(OiPr)2/Sc(OTf)3配合物,二氯甲烷為溶劑,4 ?分子篩為添加劑,在–78 °C下,365 nm光照12小時(shí),以接近當(dāng)量的產(chǎn)率和95% ee (編號(hào)1)得到目標(biāo)產(chǎn)物C1。缺少Lewis酸催化劑,反應(yīng)無法進(jìn)行(編號(hào)2),表明在-78 °C時(shí)背景反應(yīng)可以被完全抑制。對金屬鹽的篩選表明,Sc(OTf)3給出最好的收率和對映選擇性。將反應(yīng)溫度提高至10 °C導(dǎo)致副反應(yīng)和背景反應(yīng)發(fā)生 (編號(hào)6)。鑒于激發(fā)后的BCB對質(zhì)子溶劑(如水)敏感,作者在反應(yīng)體系中添加了4 ?分子篩作為干燥劑。但當(dāng)使用無水Na2SO4時(shí),產(chǎn)率僅為13%,同時(shí)未知副產(chǎn)物增加 (編號(hào)7),這表明4?分子篩不僅除水,更顯著抑制副反應(yīng)。增大光照波長導(dǎo)致反應(yīng)性降低(編號(hào) 8),且增大光照強(qiáng)度導(dǎo)致背景反應(yīng)增強(qiáng) (編號(hào)9)。對各種手性雙氮氧配體的進(jìn)一步探索表明,選擇具有合適骨架、鏈長以及芳香酰胺基團(tuán)取代基的L3-Pr(OiPr)2是有效實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的關(guān)鍵(編號(hào)10-12)。

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隨后作者考察了對芳基烷基酮和苯并環(huán)丁烯酮的普適性(表2-3)。各種取代的苯乙酮與A1順利進(jìn)行反應(yīng),以良好至優(yōu)異的對映選擇性得到相應(yīng)的產(chǎn)物(C2-C21)。該催化體系表現(xiàn)出良好的官能團(tuán)耐受性,可兼容多種取代基,包括腈基、三氟甲基、鹵素、硅基、硼基和乙酰氧基等。雜環(huán)化合物也適用于該體系, 2-乙?;拎ひ?/span>64%收率和85% ee轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物C22。將烷基取代基從甲基轉(zhuǎn)換成環(huán)己基對反應(yīng)性和對映選擇性都有負(fù)面影響(C23,51%產(chǎn)率,76% ee)。氘代甲基取代的底物成功地轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物C24。此外,環(huán)酮如1-茚滿酮也可以兼容該反應(yīng)(C25)。值得注意的是,該策略可用于一系列藥物分子后期修飾,包括去氫表雄酮、(S)-布洛芬、恩格列凈中間體和維生素E等。

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使用苯乙酮B1作為底物考察了BCBs的底物范圍(表3)。研究發(fā)現(xiàn),BCB芳環(huán)上存在5-甲基對獲得高活性和高對映體選擇性至關(guān)重要。改變甲基的位置或在苯基環(huán)上引入其他取代基,反應(yīng)活性和對映選擇性會(huì)有不同程度的降低。此外,萘并環(huán)丁烯酮也能發(fā)生反應(yīng),以77%收率,75% ee得到產(chǎn)物。

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作者對催化產(chǎn)物C1進(jìn)行了克級規(guī)模制備以及衍生實(shí)驗(yàn)(Scheme 2)。將5 mmol 5-甲基苯并環(huán)丁烯酮(A1)與6 mmol  苯乙酮(B1)在同等放大的催化劑、分子篩和二氯甲烷用量下,在365 nm紫外燈照射下得到了1.15 g 目標(biāo)產(chǎn)物(C1,91%收率),對映選擇性保持(95% ee)。隨后,作者又實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物C1的多樣化轉(zhuǎn)化(Scheme 2b)。使用LiAlH?還原C1得到手性異色滿衍生物D>99%收率,96% ee);在AlMe3的催化下,發(fā)生開環(huán)胺解得到叔醇酰胺E98%收率,97% ee);使用[Ru]催化芳環(huán)C-H羥基得到8-羥基產(chǎn)物F54%收率,88% ee)。

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作者對反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了一系列探究。底物的紫外吸收光譜研究表明,與L3-Pr(OiPr)2/Sc(OTf)3配合物配位后,在365 nm處,BCB A1或苯乙酮(B1)的紫外可見吸收光譜沒有明顯變化(Scheme 3a)。然而在對苯乙酮的磷光發(fā)射光譜研究中,觀察到磷光發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng),但最大發(fā)射波長沒有明顯移位(Scheme 3b)。這些結(jié)果表明,Lewis酸催化劑可能提高了系間竄越(ISC)的效率,使得激發(fā)三線態(tài)苯乙酮的比例增加,從而有利于反應(yīng)進(jìn)行。加入BHT作為自由基捕獲劑,A1B1的環(huán)加成反應(yīng)被抑制,同時(shí)高分辨率質(zhì)譜(HRMS)檢測到交叉偶聯(lián)副產(chǎn)物GH,表明體系中存在G1H1中間體(Scheme 3c)。對照實(shí)驗(yàn)表明,由A30原位生成的鄰甲亞基聯(lián)烯酮中間體經(jīng)高溫或在光照或不光照下使用Aa1均不能得到目標(biāo)產(chǎn)物C33,排除了經(jīng)過鄰甲亞基聯(lián)烯酮中間體的反應(yīng)歷程(Scheme 3d)。

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據(jù)此,作者提出了可能的光環(huán)加成反應(yīng)歷程(Scheme 4)。首先,金屬鹽Sc(OTf)3與手性雙氮氧配體L3-Pr(OiPr)2配位,原位生成手性鈧(III)配合物催化劑。該Lewis酸催化劑同時(shí)與苯并環(huán)丁烯酮A1和苯乙酮B1配位,其中B1在光照條件下被激發(fā)到達(dá)激發(fā)態(tài),緊接著其氧自由基對苯并環(huán)丁烯酮A1的羰基進(jìn)行自由基加成,誘導(dǎo)C1-C8鍵均裂以釋放環(huán)張力,形成雙自由基中間體,最后發(fā)生快速地分子內(nèi)自由基-自由基偶聯(lián),完成該光環(huán)加成反應(yīng),并釋放催化劑。此外,A1光異構(gòu)化產(chǎn)生的鄰甲亞基聯(lián)烯酮中間體存在于該體系,但不是生成目標(biāo)產(chǎn)物的中間體。

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總結(jié)

該研究突破傳統(tǒng)過渡金屬催化模式,發(fā)展了一種光催化苯并環(huán)丁烯酮和芳基烷基酮的不對稱[4 + 2]環(huán)加成反應(yīng),高效合成了一系列含有季碳立體中心的光學(xué)活性3,4-二氫異香豆素類化合物。該策略為新型C-C活化轉(zhuǎn)化提供了新思路。

文獻(xiàn)詳情:

Photoinduced Asymmetric [4+2] Cycloaddition of Benzocyclobutenones with Ketones into 3,4-Dihydroisocoumarins
Hansen Zhao,Xi Lu,Liangkun Yang,Sile Li,Xiaoming Feng*,Weidi Cao*
Org. Lett. 2025
https://doi.org/10.1021/acs.orglett.5c02591
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