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JACS:對映選擇性鈷-光氧化還原催化的C-H活化反應(yīng)

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-09-12
導(dǎo)讀:近日,德國哥廷根大學(xué)Lutz Ackermann課題組報(bào)道了一種將有機(jī)光氧化還原催化和對映選擇性鈷催化的C-H活化相結(jié)合的策略,使吲哚能夠以對映選擇性的方式進(jìn)行區(qū)域和立體選擇性雙重官能團(tuán)化反應(yīng),合成了一系列手性吲哚并[2,3-c]異喹啉-5-酮,對映選擇性高達(dá)99%。通過連續(xù)流中的對映選擇性C-H活化和環(huán)化,可直接獲得中心和軸手性分子,從而證明了鈷光氧化還原(cobaltaphotoredox)催化的穩(wěn)健性。文章鏈接DOI:10.1021/jacs.4c08459

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

正文

在過去的幾十年里,光化學(xué)已成為合成復(fù)雜分子的環(huán)境友好的平臺。光誘導(dǎo)催化與有機(jī)催化、酶催化和過渡金屬催化等對映選擇性催化相結(jié)合的策略,為手性分子的合成提供了一種高效的策略。與傳統(tǒng)的對映選擇性方法相比,光氧化還原催化的引入實(shí)現(xiàn)了溫和與綠色的反應(yīng)條件。近些年來,過渡金屬催化的對映選擇性C-H活化已成為構(gòu)建C-C和C-Het鍵的有效方法。2017年,Ackermann課題組(Angew. Chem., Int. Ed. 201756, 10378.)報(bào)道了一種在高價(jià)鈷(III)催化下首次利用單保護(hù)氨基酸(MPAA)配體進(jìn)行對映誘導(dǎo)(enantioinduction),但對映選擇性較低。2018年,Ackermann課題組(Angew. Chem., Int. Ed. 201857, 15425.)設(shè)計(jì)了一種C2-對稱羧酸,首次促進(jìn)了高度對映選擇性高價(jià)鈷催化的C-H活化。詳細(xì)的機(jī)理研究,包括用兩個(gè)苯甲酰胺底物作為配體分離關(guān)鍵的環(huán)金屬化鈷(III)配合物(Figure 1a),表明了手性LX-型配體在對映選擇性控制的潛力。因此,通過用雙齒手性配體(如MPAAs)代替苯甲酰胺底物之一,可以實(shí)現(xiàn)鈷催化C-H活化中的對映選擇性控制。最近,化學(xué)家們開發(fā)了一系列將對映選擇性3d過渡金屬催化與光氧化還原催化相結(jié)合的策略。這些方法通過單電子轉(zhuǎn)移(SET)或氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)過程來實(shí)現(xiàn)C-H斷裂,因此僅限于弱和活化的C-H鍵(Figure 1b,left)。相比之下,在可見光下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)芳烴鍵的對映選擇性活化還不發(fā)達(dá),因?yàn)楹线m的配體可同時(shí)降低金屬的氧化還原電位并控制完全對映選擇性(Figure 1b,right),并且只有有毒和昂貴的鈀才能實(shí)現(xiàn)。因此,利用地球豐富的3d金屬進(jìn)行對映選擇性光誘導(dǎo)C-H活化是非常理想的。近日,德國哥廷根大學(xué)Lutz Ackermann課題組首次報(bào)道了一種對映選擇性鈷光氧化還原催化直接C-H活化反應(yīng),合成了一系列手性吲哚并[2,3-c]異喹啉-5-酮(Figure 1c)。化學(xué)加——科學(xué)家創(chuàng)業(yè)合伙人,歡迎下載化學(xué)加APP關(guān)注。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

首先,作者以苯甲酰胺衍生物1a與吲哚衍生物2a作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)反應(yīng)條件的篩選(Figure 2)。當(dāng)Co(OAc)2·4H2O20 mol %)作為金屬催化劑,Rhodamine 6G10 mol %)作為光催化劑,L620 mol %)作為手性配體,二異丙胺DIPA1.3 equiv作為堿,藍(lán)色LEDs450 nm)作為光源,在TFE/DCE(體積比為4:1)混合溶劑中35 oC反應(yīng)48 h,可以79%的分離收率得到產(chǎn)物3dr > 20:1,ee99%。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者對底物范圍進(jìn)行了擴(kuò)展(Figure 3)。首先,當(dāng)苯甲酰胺底物1中的芳基上含有不同電性基團(tuán)時(shí),可以中等至良好的收率獲得所需的產(chǎn)物4-14,作為單一的非對映異構(gòu)體,具有優(yōu)異的對映選擇性。其中,對于間甲氧基取代的底物1i,由于甲氧基的強(qiáng)給電子效應(yīng)和弱的導(dǎo)向能力,獲得了區(qū)域異構(gòu)體混合物1127%收率,99% ee)和1138%收率,>99% ee)。二/三取代的N-喹啉基苯甲酰胺以及具有潛在配位硫的雜芳基化合物,也是合適的底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物15-20,收率為53-73%dr14:1->20:1,ee均為99%。5-Cl、5-Me6-CF3基團(tuán)取代的氨基喹啉,可以優(yōu)異立體選擇性獲得相應(yīng)的產(chǎn)物21-23,收率為70-80%。其次,一系列不同取代的吲哚衍生物,均可順利進(jìn)行反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物24-35,收率為53-73%,dr > 20:1,ee98-99%

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

緊接著,作者還對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的研究(Figure 4)。KIE實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,C-H斷裂不參與速率決定步驟(Figure 4a)。吲哚2a的一級速率依賴性結(jié)果表明,速率決定步驟中涉及插入或還原消除的過程(Figure 4b)。自由基捕獲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,反應(yīng)涉及自由基中間體的形成(Figure 4c)。鈷環(huán)中間體的合成及其化學(xué)計(jì)量反應(yīng)研究結(jié)果表明,中間體C參與催化循環(huán)的過程(Figure 4d)。當(dāng)向標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)中加入吡啶時(shí),僅獲得12%收率的產(chǎn)物3,表明吡啶具有競爭性配位(Figure 4e)。CV實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,L6增強(qiáng)了鈷(II/III)體系的敏感性(Figure 4f)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

基于上述的研究以及相關(guān)文獻(xiàn)的查閱,作者提出了一種合理的催化循環(huán)過程(Figure 5a)。首先,在1a、L6DIPA的存在下,光激發(fā)的Rhodamine 6G氧化鈷(II),生成手性八面體鈷(III)配合物B。其次,通過對映選擇性決定堿輔助的C-H活化過程,生成鈷環(huán)中間體C。隨后,在嘧啶導(dǎo)向基團(tuán)下,中間體C2a進(jìn)行區(qū)域選擇性遷移插入以及還原消除,生成目標(biāo)產(chǎn)物3和鈷(I)配合物E。此外,在空氣氧的存在下,通過Rhodamine 6G在照射下將鈷(I)配合物再氧化為鈷(II) 配合物,從而再生活性鈷(II)催化劑。

最后,作者對反應(yīng)的實(shí)用性進(jìn)行了研究(Figure 5b)。首先,反應(yīng)在連續(xù)流動條件下成功進(jìn)行,可以62%的收率得到產(chǎn)物3,dr >20:1ee 99%。對于其它的烯烴(如環(huán)戊烯和苯乙烯),也可以良好的收率和優(yōu)異的對映選擇性獲得相應(yīng)的產(chǎn)物3637。值得注意的是,這種連續(xù)流動條件對于使用聯(lián)烯和炔烴構(gòu)建C-N軸手性也是有效的,如38-40。非活化的烯烴也是合適的底物,盡管對映選擇性有所降低(42)。此外,1a2n的連續(xù)流克級規(guī)模實(shí)驗(yàn),同樣可以70%的收率得到產(chǎn)物36,dr >20:1ee 99%,進(jìn)一步證明了反應(yīng)的實(shí)用性。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.


總結(jié)

德國哥廷根大學(xué)Lutz Ackermann課題組首次報(bào)道了一種對映選擇性鈷光氧化還原催化的C-H活化反應(yīng)。吲哚的去芳構(gòu)化促進(jìn)了區(qū)域選擇性和立體選擇性的C-2和C-3雙重官能團(tuán)化,并為手性吲哚并[2,3-c]異喹啉-5-酮的合成提供了一種高效、直接和高度對映選擇性的途徑。該策略的成功進(jìn)一步表明了光化學(xué)3d-過渡金屬催化對映選擇性C-H活化的潛力。在連續(xù)的光流動條件下,烯烴、聯(lián)烯和炔烴的對映選擇性環(huán)化反應(yīng),進(jìn)而用于合成具有中心和軸手性的化合物證明了其穩(wěn)健性。

文獻(xiàn)詳情:

Enantioselective Cobaltaphotoredox-Catalyzed C?H Activation. 
Yang Xu, Ye Lin, Simon L. Hom?lle, Joa?o C. A. Oliveira, Lutz Ackermann*. 
J. Am. Chem. Soc. 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c08459

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