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上海交通大學(xué)張萬斌/上海有機(jī)所麻生明JACS: Pd/Cu協(xié)同催化的遠(yuǎn)程1,5-雙手性誘導(dǎo)

來源:上海交通大學(xué)      2024-03-22
導(dǎo)讀:非連續(xù)手性單元的高效精準(zhǔn)構(gòu)建一直是不對稱催化領(lǐng)域中非常重要但又極具挑戰(zhàn)性的課題?;诖呋瘎┻w移接力與雙金屬協(xié)同催化策略,上海交通大學(xué)張萬斌團(tuán)隊(duì)與上海有機(jī)所麻生明院士團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種Pd/Cu協(xié)同催化的1,5-雙手性誘導(dǎo)模型,通過對兩種手性催化劑構(gòu)型的任意組合,實(shí)現(xiàn)了含1,5-非連續(xù)手性中心的手性聯(lián)烯化合物的立體發(fā)散性合成。DFT計(jì)算和控制實(shí)驗(yàn)表明該反應(yīng)經(jīng)過了1,5-氧化加成、烯丙基鈀遷移以及共軛親核取代等反應(yīng)過程。該催化劑遷移接力策略可為遠(yuǎn)程非連續(xù)手性中心的不對稱催化合成提供了一個有效的思路。

正文

非連續(xù)手性片段廣泛存在于天然產(chǎn)物、手性藥物和生物活性分子中。然而,目前的不對稱催化方法主要集中在單一手性單元或者連續(xù)手性單元的構(gòu)建,對于含非連續(xù)手性單元的分子骨架的高效不對稱合成卻鮮有報(bào)道。一般而言,手性催化劑(電子效應(yīng)、空間效應(yīng)和次級相互作用等)對手性中心的誘導(dǎo)作用隨著距離變遠(yuǎn)而迅速減弱,手性催化劑往往需要更加復(fù)雜的手性骨架、立體、電子和誘導(dǎo)效應(yīng)來同時控制兩個非連續(xù)的手性中心。因此,隨著兩個手性中心之間的距離變大,催化劑雙手性誘導(dǎo)的難度就會顯著地提升。時至今日,對于含間隔超過3個碳原子的非連續(xù)手性中心的分子骨架(1,n-非連續(xù)手性中心,n≥5)的一步不對稱催化合成尚未報(bào)道。近年來,雙金屬協(xié)同催化策略在反應(yīng)活性和立體選擇性方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢,成功實(shí)現(xiàn)了一系列連續(xù)雙手性片段的高效精準(zhǔn)構(gòu)建,并進(jìn)一步拓展到部分具有特殊結(jié)構(gòu)的1,3-和1,4-非連續(xù)雙手性片段的立體發(fā)散性合成(圖1a)?;陔p金屬協(xié)同催化機(jī)制,將催化劑遷移接力新策略用于第二個遠(yuǎn)程手性中心的立體控制是一種理論可行的不對稱構(gòu)建遠(yuǎn)程非連續(xù)手性中心的催化合成策略。首先,含有接力單元的底物與第一種手性金屬催化劑絡(luò)合,催化劑靠近第一個手性位點(diǎn)并形成多種可以相互轉(zhuǎn)化的手性中間體;隨后,手性金屬催化劑依賴于位阻或者熱力學(xué)驅(qū)動通過接力單元向遠(yuǎn)離第一個手性位點(diǎn)的方向遷移;最后,與第二種手性金屬催化劑控制的親核試劑結(jié)合,即可得到含遠(yuǎn)程非連續(xù)手性中心的分子骨架(圖1b)。張萬斌團(tuán)隊(duì)長期致力于雙金屬協(xié)同催化體系的開發(fā)并成功用于多種連續(xù)手性中心的立體發(fā)散性合成(J. Am. Chem. Soc. 2016138, 11093; J. Am. Chem. Soc. 2017139, 9819; J. Am. Chem. Soc. 2018140, 2080; J. Am. Chem. Soc. 2020142, 8097; CCS Chem. 20214, 1720; JAmChemSoc2021143, 12622; AngewChemIntEd202160, 24941; Angew. Chem. Int. Ed. 202261, e202203448; Angew. Chem. Int. Ed. 202261, e202210086; Angew. Chem. Int. Ed202362, e202218146; Angew. Chem. Int. Ed. 202362, e202305680; Angew. Chem. Int. Ed. 202362, e202313838; CCS Chem. 2024, DOI: 10.31635/ccschem.024.202303749.),并與麻生明院士團(tuán)隊(duì)合作,利用雙手性金屬協(xié)同催化體系開展了聯(lián)烯化合物的不對稱催化合成研究(Chin. J. Chem. 202139, 1958; J. Am. Chem. Soc. 2021143, 12622; Angew. Chem. Int. Ed202362, e202218146; Angew. Chem. Int. Ed. 202362, e202305680)。近日,上海交通大學(xué)張萬斌團(tuán)隊(duì)與上海有機(jī)所麻生明院士團(tuán)隊(duì)結(jié)合碳碳雙鍵接力策略和雙金屬協(xié)同催化策略,成功實(shí)現(xiàn)了含1,5-非連續(xù)聯(lián)烯軸手性與碳中心手性的分子骨架的不對稱催化合成。此外,通過任意組合Pd/Cu協(xié)同催化體系中兩種催化劑配體的構(gòu)型,該催化體系即可實(shí)現(xiàn)含1,5-非連續(xù)手性中心的手性聯(lián)烯的立體發(fā)散性合成(圖1c)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),收獲更多商業(yè)合作機(jī)會。

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圖1 基于C=C接力策略的Pd/Cu協(xié)同催化1,5-雙手性誘導(dǎo)模型

基于雙金屬協(xié)同催化的雙手性誘導(dǎo)機(jī)制,從相同的底物出發(fā),僅僅通過改變催化劑配體的構(gòu)型即可獲得含1,5-非連續(xù)手性中心的手性聯(lián)烯化合物3aa的全部四種立體異構(gòu)體,且反應(yīng)具有良好的產(chǎn)率(76%-92%)和優(yōu)秀的非對映選擇性和對映選擇性(10:1-14:1 dr和98%->99% ee)(圖2,左側(cè))。此外,通過使用鏈狀亞胺酯4作為親核試劑前體,作者也成功實(shí)現(xiàn)了含有遠(yuǎn)程軸手性聯(lián)烯單元的手性氨基酸衍生物5的立體發(fā)散性合成(圖2,右側(cè))。

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圖2 立體發(fā)散性合成

在最優(yōu)反應(yīng)條件下,一系列含遠(yuǎn)程碳中心手性單元的手性聯(lián)烯產(chǎn)物[(Ra,S)-3aa-3da和(Sa,S)-3aa-3da]以較高的收率合成,且具有優(yōu)秀的立體選擇性(圖3)。值得注意的是,反應(yīng)以非對映發(fā)散的形式進(jìn)行,各組非對映異構(gòu)體之間沒有表現(xiàn)出明顯的產(chǎn)率或者選擇性上的差異,很好地展示了該P(yáng)d/Cu協(xié)同催化體系對于優(yōu)勢構(gòu)型產(chǎn)物和非優(yōu)勢構(gòu)型產(chǎn)物都具有很好的兼容性。此外,針對具有較小位阻的一級烷基取代的三烯底物(1e-1g),反應(yīng)仍能以中等的收率以及良好至優(yōu)秀的立體選擇性獲得相對應(yīng)的期望產(chǎn)物[(Ra,S)-3ea-3ga和(Sa,S)-3ea-3ga]。當(dāng)存在額外手性元素時[(S)-1i],該催化體系依舊保持了較高的手性誘導(dǎo)能力,得到的兩個異構(gòu)體之間沒有表現(xiàn)出明顯的產(chǎn)率與立體選擇性上的差異[(S,Ra,S)-3ia和(S,Sa,S)-3ia]。此外,當(dāng)使用大位阻叔丁基取代的三烯1h作為底物時,通過細(xì)微的條件優(yōu)化,反應(yīng)可以以79%的產(chǎn)率、大于20:1的dr值以及大于99%的ee值得到含1,5-非連續(xù)手性中心的手性聯(lián)烯化合物(Ra,S)-3hc。以此優(yōu)化后的條件對親核試劑開展適用性研究,大部分反應(yīng)都能以94%以上的產(chǎn)率、大于20:1的dr值以及大于99%的ee值取得期望的產(chǎn)物[(Ra,S)-3hd-3hk和(Sa,S)-3hd-hk],展現(xiàn)了Pd/Cu協(xié)同催化的1,5-雙手性誘導(dǎo)模型優(yōu)秀的雙手性控制能力。

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圖3 底物適用性研究

隨后,通過對氧化加成過程以及親核取代過程的理論計(jì)算,作者發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的最佳路徑與傳統(tǒng)烯丙基取代反應(yīng)機(jī)理有著較大的區(qū)別(圖4):a,通過比較各種氧化加成路徑的能壘,經(jīng)由Pd-烯絡(luò)合物Int-1c的1,5-氧化加成過程具有最低的反應(yīng)能壘[(Ra)-TS-1c,17.31 kcal/mol],生成中間體(Ra)-C1,2,3-η3-Int-2c;b,通過比較各種親核取代路徑的能壘,經(jīng)由中間體C3,4,5-η3-Int-2a的共軛親核取代過程具有最低的反應(yīng)能壘[TS-2a,7.88 kcal/mol]。

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圖4 氧化加成過程以及親核取代過程的理論計(jì)算研究

為了驗(yàn)證1,5-氧化加成機(jī)理,作者將溴代二烯(Z)-6和(E)-6以及聯(lián)烯醋酸酯(Ra)-7和(Sa)-7分別投入到反應(yīng)體系中,結(jié)果顯示溴代二烯6完全不參與反應(yīng),而聯(lián)烯醋酸酯7得到了相應(yīng)的產(chǎn)物(圖5)。由于兩類底物與Pd催化劑氧化加成后理論上產(chǎn)生幾乎相同的烯丙基鈀中間體,上述結(jié)果證明了氧化加成過程對反應(yīng)活性具有重要的影響。結(jié)合三烯1h在相同條件下的反應(yīng)結(jié)果[圖3,(Ra,S)-3ha],該控制實(shí)驗(yàn)證明了末端雙鍵在該反應(yīng)的氧化加成過程起到了至關(guān)重要的作用,證實(shí)了1,5-氧化加成過程的合理性。

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圖5 涉及氧化加成過程的機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

基于以上結(jié)果,合理的催化循環(huán)如下:a,原位產(chǎn)生的活性0價Pd催化劑優(yōu)先與三烯底物1h的末端雙鍵配位,進(jìn)而發(fā)生1,5-氧化加成過程,生成含有軸手性聯(lián)烯片段的烯丙基鈀中間體(Ra)-C1,2,3-η3-Int-2c;b,相對穩(wěn)定的(Ra)-C1,2,3-η3-Int-2c中的Pd物種向著大位阻的叔丁基取代基遷移,生成熱力學(xué)不穩(wěn)定的C1,2,3-η3-Int-2a;c,最后,由Cu催化劑、親核試劑前體以及堿共同產(chǎn)生的活性親核物種Nu以共軛親核取代的方式進(jìn)攻中間體C1,2,3-η3-Int-2a,生成期望的目標(biāo)產(chǎn)物(Ra,S)-3hc

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圖6 推測的機(jī)理

總結(jié)

該工作報(bào)道了一種Pd/Cu協(xié)同催化的1,5-雙手性誘導(dǎo)策略,實(shí)現(xiàn)了1,5-非連續(xù)手性中心的不對稱催化合成及立體發(fā)散性合成。反應(yīng)涉及的催化劑遷移接力策略對含非連續(xù)手性中心分子,尤其是遠(yuǎn)程手性化合物的不對稱合成的研究有著重要的啟發(fā)意義。

文獻(xiàn)詳情:

Jiacheng Zhang, Yicong Luo, En Zheng, Xiaohong Huo, Shengming Ma*, and Wanbin Zhang*, Synergistic Pd/Cu-Catalyzed 1,5-Double Chiral Inductions. J. Am. Chem. Soc2024146https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c00497

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