
(圖片來(lái)源:Nat. Commun.)
含有去芳構(gòu)化稠環(huán)芳烴的多環(huán)骨架廣泛存在于各類天然產(chǎn)物、藥物和生物活性分子中(Fig. 1a)。由于此類化合物的合成常需使用預(yù)官能團(tuán)化的底物和多步反應(yīng),從而導(dǎo)致其合成具有挑戰(zhàn)。
化學(xué)和區(qū)域選擇性的問(wèn)題,也增加了非活化稠合芳烴(如喹啉和萘)的去芳構(gòu)化官能團(tuán)化反應(yīng)的難度。由于吡啶的缺電子性質(zhì)和Lewis酸絡(luò)合的協(xié)助,稠合芳烴中吡啶單元的選擇性去芳構(gòu)化是可行的。另一方面,稠合芳烴中苯基單元的選擇性去芳構(gòu)化更具挑戰(zhàn)性。2021年,Brown、Houk和Glorius團(tuán)隊(duì)共同報(bào)道了通過(guò)能量轉(zhuǎn)移和Lewis酸活化實(shí)現(xiàn)喹啉和烯烴之間的光化學(xué)[4+2]環(huán)加成反應(yīng)(Fig. 1b)。同時(shí),Sarlah等課題組在對(duì)萘的去芳構(gòu)化反應(yīng)研究中,采用了類似的由能量轉(zhuǎn)移引發(fā)的[4+2]環(huán)加成策略(Fig. 1c)。
作者認(rèn)為,使用光氧化還原策略可選擇性地將喹啉、異喹啉、喹喔啉、萘和其它稠合芳烴中的苯基單元進(jìn)行去芳構(gòu)化反應(yīng)。在已報(bào)道的光氧化還原過(guò)程中,自由基選擇性地加成到喹啉中的吡啶環(huán)上,并且不加選擇地加成到萘中的苯環(huán)上。與Sarlah課題組所開(kāi)發(fā)的[4+2]環(huán)加成策略相比(區(qū)域選擇性主要受空間效應(yīng)控制),作者利用苯環(huán)的相對(duì)電子豐富度來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性去芳構(gòu)化官能團(tuán)化反應(yīng)(Fig. 1d)。喹啉的光催化促進(jìn)單電子轉(zhuǎn)移(SET)氧化會(huì)生成自由基陽(yáng)離子I,其中正電荷主要位于苯環(huán)上。其次,親核試劑選擇性地加成到中間體I中生成自由基II。目前,化學(xué)家們已成功利用光氧化還原催化或電光化學(xué)條件,通過(guò)使用親核試劑直接實(shí)現(xiàn)了芳烴的C(sp2)-H官能團(tuán)化反應(yīng)。然而,作者采用了一種活化的氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)劑來(lái)捕獲自由基II,可獲得去芳構(gòu)化官能團(tuán)化的產(chǎn)物。

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首先,作者以6-甲氧基喹啉1a與吡唑2a作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)去芳構(gòu)化官能團(tuán)化反應(yīng)條件的篩選(Table 1)。當(dāng)以Mes-Acr2作為光催化劑,Ph3SiSH作為HAT試劑,DCM作為溶劑,在40 W藍(lán)色LEDs輻射下室溫反應(yīng)48 h,可以81%的收率得到產(chǎn)物3a。

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在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者首先對(duì)喹啉、異喹啉、喹喔啉和吡唑底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Fig. 2)。首先,一系列不同取代的吡唑衍生物,均可與6-甲氧基喹啉1a順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3a-3p,收率為25-76%。同時(shí),烷基胺也可與1a順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3q-3r,收率為35-40%。其次,芳基上具有不同取代的6-甲氧基喹啉、7-甲氧基喹啉衍生物、6-烷氧基取代的喹啉衍生物、異喹啉衍生物以及喹喔啉衍生物,均可順利與吡唑2a順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3s-3ar,收率為22-85%。此外,該策略還可用于一些藥物分子的后期衍生化實(shí)驗(yàn),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3as-3bb,收率為27-79%。值得注意的是,該反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和、化學(xué)和區(qū)域選擇性高、實(shí)用性高以及官能團(tuán)兼容性良好等特點(diǎn)。

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緊接著,作者對(duì)稠合芳烴的底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Fig. 3)。首先,一系列不同取代的萘衍生物,均可與吡唑2a順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3bc-3bn,收率為31-64%(Fig. 3a)。其次,簡(jiǎn)單的蒽和菲以及6-甲氧基菲,也是合適的底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3bo-3bq,收率為73-87%。此外,三氟甲磺酰胺、咪唑以及一系列不同取代的羧酸衍生物,均可與菲順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3br-3cf,收率為25-89%(Fig. 3b)。
隨后,作者對(duì)反應(yīng)的實(shí)用性進(jìn)行了研究。首先,1b與吡唑2a在標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng)時(shí),可以73%的收率獲得產(chǎn)物3ae。若通過(guò)流動(dòng)化學(xué)體系,可將反應(yīng)時(shí)間減少至3 h,且不影響反應(yīng)的收率。3ae經(jīng)進(jìn)一步的脫保護(hù)后,可獲得相應(yīng)的醇化合物3cg(Fig. 3c)。其次,通過(guò)該策略可合成JAK抑制劑的中間體3ch(Fig. 3d)和具有神經(jīng)退行性活性的化合物的中間體3cj(Fig. 3e),并且與文獻(xiàn)的工藝相比,具有更低的成本。

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同時(shí),作者對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的研究(Fig. 4)。首先,作者提出了一種合理的催化循環(huán)過(guò)程(Fig. 4a)。激發(fā)態(tài)PC+* Mes-Acr2*具有很強(qiáng)的氧化能力,可將1a氧化成自由基陽(yáng)離子5a。5a可與吡唑反應(yīng),生成自由基陽(yáng)離子6a。6a經(jīng)去質(zhì)子化,生成中性自由基7a。7a經(jīng)HAT過(guò)程,則生成去芳構(gòu)化產(chǎn)物3a。同時(shí),7a若被氧化,則生成芳構(gòu)化副產(chǎn)物4a。
其次,作者進(jìn)行了化學(xué)選擇性的研究(Fig. 4b)。當(dāng)1a和1c的混合物在標(biāo)準(zhǔn)條件反應(yīng)時(shí),僅生成了去芳構(gòu)化產(chǎn)物3a,表明吸電子基抑制了反應(yīng)。當(dāng)使用具有相似的氧化電位1a和1e的混合物在標(biāo)準(zhǔn)條件反應(yīng)時(shí),均可生成相應(yīng)的去芳構(gòu)化產(chǎn)物 3a和3bc。同樣,菲1d也是合適的底物。
緊接著,作者還對(duì)HAT試劑的作用進(jìn)行了研究(Fig. 4c)。當(dāng)使用具有弱S-H和Se-H鍵以及相應(yīng)高氫原子轉(zhuǎn)移率的硫醇和硒醇HAT試劑(PhSH和PhSeH),進(jìn)行相關(guān)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明,HAT試劑對(duì)于去芳構(gòu)化產(chǎn)物的收率具有顯著的影響,并且質(zhì)子S-H/Se-H和親核碳自由基7a之間的極性匹配可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)HAT過(guò)程。同時(shí),HAT試劑Ph3SiSH還在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下通過(guò)PC+*(Mes-Acr2*) 介導(dǎo)的氧化,延遲了3a轉(zhuǎn)化回起始原料1a。
此外,作者還對(duì)異喹啉參與反應(yīng)的區(qū)域選擇性進(jìn)行了研究(Fig. 4d)。1a反應(yīng)最初形成了5,8-二氫異喹啉 3ap',然后轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的7,8-二氫異喹啉 3ap。同時(shí),存在兩種可能的生成5,8-二氫異喹啉3ap的途徑。當(dāng)使用2,6-二甲基吡啶(一種用于去芳構(gòu)化過(guò)程的堿)處理 3ap' 時(shí),未觀察到3ap的形成,排除了去質(zhì)子化/C=C 異構(gòu)化途徑。相反,在光氧化還原反應(yīng)條件下,通過(guò)C=C鍵的SET氧化、去質(zhì)子化和HAT過(guò)程形成3ap。

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最后,作者進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算研究(Fig. 5a)。首先,通過(guò)對(duì)自由基陽(yáng)離子5a的Hirshfeld電荷和自旋密度計(jì)算表明, C5在5a中具有最高的自旋密度,因此是親核加成的首選位點(diǎn)(Fig. 5a)。同時(shí),通過(guò)對(duì)5a和吡唑之間反應(yīng)的C-N形成過(guò)渡態(tài)的自由能計(jì)算表明,吡唑在C5-位的進(jìn)攻在動(dòng)力學(xué)上比C8-或C7-至少高3 kcal/mol(Fig. 5b)。隨后通過(guò)2,6-二甲基吡啶對(duì)6a進(jìn)行放熱去質(zhì)子化,生成中性自由基7a(Fig. 5c)。計(jì)算的自由能表明,7a的串聯(lián)SET氧化和去質(zhì)子化形成芳基取代產(chǎn)物4a在熱力學(xué)上更有利。然而,芳構(gòu)化途徑需要氧化劑(例如激發(fā)態(tài)光催化劑或氧氣)。此外,反應(yīng)性HAT試劑(如Ph3SiSH)的存在可以攔截7a,從而獲得去芳構(gòu)化產(chǎn)物 3a,而不是更穩(wěn)定的芳構(gòu)化副產(chǎn)物4a(Fig. 5c)。

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總結(jié) 亞利桑那大學(xué)王衛(wèi)(Wang Wei)、歐柏林學(xué)院Chen Shuming與加州大學(xué)洛杉磯分校Kendall N. Houk團(tuán)隊(duì)共同報(bào)道了一種通用且實(shí)用的有機(jī)光氧化還原策略,可實(shí)現(xiàn)多環(huán)芳烴(如喹啉、異喹啉、喹喔啉、萘、蒽和菲)的化學(xué)和區(qū)域選擇性去芳構(gòu)化官能團(tuán)化反應(yīng)。同時(shí),反應(yīng)性HAT試劑的使用有助于形成去芳構(gòu)化產(chǎn)物,而不是熱力學(xué)上更有利的芳構(gòu)化產(chǎn)物。此外,該策略還可用于多種藥物分子的后期衍生化實(shí)驗(yàn),從而進(jìn)一步證明了反應(yīng)的實(shí)用性。
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