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余金權(quán)課題組JACS:通過(guò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的C-H活化實(shí)現(xiàn)丁烯酸內(nèi)酯的合成

來(lái)源:化學(xué)加原創(chuàng)      2025-07-13
導(dǎo)讀:近日,美國(guó)斯克里普斯研究所(The Scripps ResearchInstitute)余金權(quán)課題組開(kāi)發(fā)了一種鈀催化劑,其能夠以叔丁基過(guò)氧化物(TBHP)作為唯一氧化劑,通過(guò)同時(shí)活化亞甲基和次甲基的C-H鍵,實(shí)現(xiàn)了脂肪酸向丁烯酸內(nèi)酯的一步三官能團(tuán)化。其中,三唑-吡啶酮配體的使用對(duì)實(shí)現(xiàn)這種“丁烯內(nèi)酯導(dǎo)向”C-H活化反應(yīng)至關(guān)重要。值得注意的是,利用該方法可以成功實(shí)現(xiàn)多種生物活性天然產(chǎn)物和藥物分子(包括抗癌和抗HIV化合物)的改進(jìn)合成。該策略具有催化劑負(fù)載量低(僅需1 mol%)、易于規(guī)?;a(chǎn)、通過(guò)簡(jiǎn)單水洗即可純化產(chǎn)物等特點(diǎn),增加了此類(lèi)C-H活化反應(yīng)的實(shí)用性。相關(guān)成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上,文章鏈接DOI:10.1021/jacs.5c09040。
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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.


正文

在過(guò)去十年里,盡管通過(guò)C-H活化構(gòu)建單鍵方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展,但直接從大宗化學(xué)品一步構(gòu)建重要分子骨架(即結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的C-H活化)仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。由于大宗化學(xué)品通常僅含有一個(gè)官能團(tuán),因此在構(gòu)建高度官能團(tuán)化的分子骨架時(shí),往往需要經(jīng)歷多次C(sp3)-H官能團(tuán)化。丁烯酸內(nèi)酯作為一種經(jīng)典的藥效團(tuán)和多功能合成中間體,已受到制藥行業(yè)和合成化學(xué)家的廣泛關(guān)注。近日,美國(guó)斯克里普斯研究所余金權(quán)課題開(kāi)發(fā)了一種含三唑-吡啶酮配體的鈀催化劑,其可同時(shí)實(shí)現(xiàn)脂肪酸的亞甲基和次甲基C-H鍵活化,通過(guò)三重官能團(tuán)化實(shí)現(xiàn)了一系列丁烯酸內(nèi)酯的合成(Figure 1)。歡迎下載化學(xué)加APP到手機(jī)桌面,合成化學(xué)產(chǎn)業(yè)資源聚合服務(wù)平臺(tái)。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

首先,作者使用脂肪酸S1a作為模板底物對(duì)此轉(zhuǎn)化進(jìn)行了探索(Table 1)。通過(guò)一系列條件篩選,作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用S1a (0.1 mmol), Pd(OAc)2 (10 mol%), L32 (10 mol%), Me4NOAc·H2O(0.83 equiv),KOH(0.17 equiv), MeCN (20 μL), BQ1 (1 equiv), TBHP in decane (5.5 M, 3 equiv), HFIP(0.8 mL)在空氣氛圍下105 °C反應(yīng)20 h可以以89%的產(chǎn)率得到丁烯酸內(nèi)酯產(chǎn)物1a。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后,作者對(duì)此轉(zhuǎn)化的底物范圍進(jìn)行了考察Figure2a。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,一系列不同取代的脂肪酸均可順利兼容此轉(zhuǎn)化,以44-97%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物1a-1z, 1aa-1aj。值得注意的是,生物活性分子dihydrojasmonic acidcholic acid等均可兼容,證明了此轉(zhuǎn)化的實(shí)用性。

為了驗(yàn)證該反應(yīng)在放大規(guī)模下的適用性,作者以S1b為底物,在20 mmol的反應(yīng)規(guī)模下進(jìn)行了嘗試。當(dāng)使用2 mol%的催化劑,并加入水溶性添加劑時(shí),僅通過(guò)簡(jiǎn)單的水洗純化步驟,在無(wú)需色譜分離的條件下即可以72%的產(chǎn)率得到丁烯酸內(nèi)酯產(chǎn)物1bFigure2b)。在相同條件下進(jìn)行的0.1 mmol規(guī)模反應(yīng)也可以以75%的產(chǎn)率獲得產(chǎn)物1b?,進(jìn)一步證明了該方法的可擴(kuò)展性。

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螺環(huán)丁烯酸內(nèi)酯廣泛存在于具有多種生物活性的天然產(chǎn)物中。作者發(fā)現(xiàn),通過(guò)該方法可以以42-55%的產(chǎn)率合成出不同螺環(huán)大小的多種螺環(huán)丁烯酸內(nèi)酯,包括五元環(huán)(2c)、六元環(huán)(2a-2f2h2i)以及大環(huán)(2g)。此外,作者還成功合成了含有雜環(huán)的螺環(huán)丁烯酸內(nèi)酯,如吡喃環(huán)(2b-2d2f2i)和哌啶環(huán)(2e-2h)。源自天然產(chǎn)物nootkatoneS2h)和5α-甾烷酮(S2i)的底物也被成功轉(zhuǎn)化為具有擁擠且復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的螺環(huán)丁烯酸內(nèi)酯。且產(chǎn)物2h的結(jié)構(gòu)通過(guò)單晶X射線(xiàn)衍射分析得到了確認(rèn)(Figure3)。

橋環(huán)丁烯酸內(nèi)酯是另一類(lèi)具有重要生物活性的天然產(chǎn)物。令人欣喜的是,作者所發(fā)展的三重C-H官能團(tuán)化反應(yīng)可成功應(yīng)用于14-17元大環(huán)羧酸,以72-84%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的橋環(huán)丁烯酸內(nèi)酯2j-2m。而11元十一烷羧酸因環(huán)張力較大,僅以15%NMR產(chǎn)率獲得產(chǎn)物。以BINOL衍生的底物為原料,可得到一對(duì)同時(shí)具有軸手性和中心手性的橋環(huán)丁烯酸內(nèi)酯(dr = 3:2)。此外,連有塞來(lái)昔布的復(fù)雜環(huán)狀羧酸(S2k)也表現(xiàn)出良好的兼容性,產(chǎn)率為76%。值得注意的是,大環(huán)羧酸上的手性中心能通過(guò)遠(yuǎn)程(2ma)或鄰近(2mb)的手性誘導(dǎo),在丁烯酸內(nèi)酯形成過(guò)程中表現(xiàn)出高度的非對(duì)映選擇性。此外,該方法還能耐受環(huán)系中存在的雜原子(2j, 2k, 2m)、芳香環(huán)(2j, 2m)和酯基(2m)。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

在現(xiàn)代合成化學(xué)中,實(shí)現(xiàn)生物活性化合物的高效、可擴(kuò)展合成是研究的重要目標(biāo)。作者利用所發(fā)展的C-H活化過(guò)程可成功實(shí)現(xiàn)Auxofuran、Incrustoporin、Ancepsenolide等多個(gè)生物活性天然產(chǎn)物和藥物分子的合成Figure4。

此外,丁烯酸內(nèi)酯作為關(guān)鍵中間體廣泛存在于多種天然產(chǎn)物和藥物分子中。作者利用三重C-H官能團(tuán)化反應(yīng),從市售脂肪酸出發(fā)高效合成了一系列關(guān)鍵中間體,用于優(yōu)化藥物類(lèi)似物并開(kāi)發(fā)藥物候選物。此外,該方法還成功應(yīng)用于合成抗麻風(fēng)和抗癲癇活性的生物堿中間體、抗真菌和抗癌代謝物的前體,以及HIV治療核苷類(lèi)似物的重要中間體??傮w而言,該方法具有高效率、可擴(kuò)展性、可獲得多種類(lèi)似物等優(yōu)勢(shì),為藥物化學(xué)和天然產(chǎn)物合成提供了強(qiáng)有力的工具。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

作者通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)得出反應(yīng)中β,γ-不飽和酸是可能反應(yīng)中間體。因此,作者提出了一個(gè)Pd(II)/Pd(0)/Pd(II)/Pd(0)催化循環(huán)來(lái)解釋丁烯內(nèi)酯的一步形成過(guò)程Figure5。反應(yīng)首先通過(guò)配體促進(jìn)的β,γ-脫氫作用生成Pd(0)物種,隨后在TBHP的作用下被氧化為Pd(II)物種。接下來(lái),Pd(II)催化羧酸根對(duì)雙鍵進(jìn)行親核環(huán)化,形成在β位帶有C–Pd鍵的內(nèi)酯。最后,通過(guò)位點(diǎn)選擇性的β-氫消除生成丁烯內(nèi)酯產(chǎn)物,并再生Pd(0)物種。Pd(0)可以TBHP作用下再次被氧化為Pd(II),從而完成催化循環(huán)。由于BQ對(duì)產(chǎn)率的提升作用很小,它在反應(yīng)中不太可能是氧化劑。相反,BQ可能通過(guò)配位到Pd(0)來(lái)防止黑的形成,這可以由反應(yīng)中未檢測(cè)到對(duì)苯二酚的生成得到證實(shí)

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.


總結(jié)

余金權(quán)課題組通過(guò)利用新開(kāi)發(fā)的三唑-吡啶酮配體,成功通過(guò)三重C-H官能團(tuán)化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了多種丁烯酸內(nèi)酯的合成。該反應(yīng)可兼容多種C(sp3)-H鍵,可靈活構(gòu)建αγ位取代的丁烯內(nèi)酯。其中包括螺環(huán)丁烯內(nèi)酯、橋環(huán)丁烯內(nèi)酯以及含雜環(huán)的丁烯內(nèi)酯等均可通過(guò)此方法高效制備。利用該方法,作者完成了12種生物活性天然產(chǎn)物和藥物分子的全合成或形式合成。

文獻(xiàn)詳情:

Versatile Butenolide Syntheses via a Structure-Oriented C–H Activation Reaction. 
Yu-Kun LinDonghyeon KimYuxin OuyangJin-Quan Yu*
J. Am. Chem. Soc.,2025
https://doi.org/10.1021/jacs.5c09040
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