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上海有機所施世良課題組JACS: 通過鎳/氮雜環(huán)卡賓催化實現(xiàn)吡啶區(qū)域選擇性立體選擇性的C-H鍵活化

來源:化學加(ID:tryingchem)      2019-04-17
導(dǎo)讀:近日,中科院上海有機所施世良課題組利用鎳催化劑及大位阻手性N-雜環(huán)卡賓配體實現(xiàn)了吡啶環(huán)3-位或4-位對映選擇性的C-H鍵活化,提供了一種有效獲取光學純的5,6,7,8-四氫喹啉及5,6,7,8-四氫異喹啉衍生物的方法,該成果在線發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上(DOI:10.1021/jacs.9b00931)。

吡啶衍生物是許多藥物及生物活性分子中非常重要的結(jié)構(gòu)單元,是美國FDA批準的藥物中包含最多的氮雜芳環(huán),因此關(guān)于吡啶環(huán)系的構(gòu)筑和修飾具有十分重要的研究意義。目前報導(dǎo)的關(guān)于吡啶直接C-H鍵官能團化的方法還僅限于獲得消旋的產(chǎn)物,關(guān)于對映選擇性C-H鍵活化的報導(dǎo)很少,而且均是在2-位。日本理化所侯召民等人發(fā)展了Sc-催化的吡啶6-C-H鍵的烷基化,但是吡啶3-位或4-位的不對稱的C-H鍵活化還未曾有過報導(dǎo)。

5,6,7,8-四氫喹啉(THQ)及5,6,7,8-四氫異喹啉(THIQ)衍生物是藥物分子中非常常見的結(jié)構(gòu)。

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Figure 1. 含有吡啶環(huán)的藥物分子及天然產(chǎn)物(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

目前已經(jīng)發(fā)展了很多合成THQsTHIQs的方法,但是對映選擇性的獲取該類手性分子的方法幾乎沒有報道。目前獲取該類化合物的方式主要是通過吡啶類似物的氫化,但是對于高度穩(wěn)定的芳香體系的選擇性氫化是很難實現(xiàn)的。Kuwano等人能夠以82%ee值合成5,6,7,8-THQs  -THIQs,這是目前報道的最高水平。本文作者開發(fā)了一種利用鎳催化劑催化與吡啶連接的烯烴來實現(xiàn)吡啶區(qū)域選擇性、立體選擇性的官能團化,高效的合成了光學活性的THQsTHIQs (Scheme 1)。使用該體系,作者提出仍然需要面臨三個強大的挑戰(zhàn):1.Ni-催化的條件下,烯烴底物很容易發(fā)生異構(gòu)化,必須抑制這一過程的發(fā)生;2.烯烴及吡啶完全的位點控制十分困難;3. Ni-催化的C-H鍵的官能團化目前鮮有報道,Ni對于配體及底物十分敏感,會極大的限制配體及底物范圍。

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Scheme 1. 5,6,7,8-THQs5,6,7,8-THIQs不對稱合成方法(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

作者之前發(fā)展了一些N-雜環(huán)卡賓配體(NHCs),如SIPEANIPE,并成功實現(xiàn)了首例Ni-催化的炔烴對醇的不對稱的烯基化反應(yīng),作者將此體系應(yīng)用到吡啶的C-H鍵活化中去,來實現(xiàn)THQsTHIQs手性合成。

反應(yīng)條件優(yōu)化:作者受Nakao  Hiyama 等人在Ni-Al催化劑方面的工作以及Cramer及葉萌春等人在N-雜環(huán)不對稱C-H鍵活化方面工作的啟發(fā),使用連有烯烴的吡啶1a作為模型底物,在Ni(cod)2存在下,使用含AlLewis酸及手性配體。作者最開始使用常見的手性膦配體及NHC配體,無法得到目標產(chǎn)物2a。使用配體L1并額外添加大位阻化合物MAD,可以以幾乎當量的產(chǎn)率及72% ee值獲得2a (Table 1, entry 1),而且沒有觀察到任何發(fā)生在吡啶2-位環(huán)化及烯烴移位的產(chǎn)物。作者推測主要是MAD通過Al-N配位,利用其大位阻屏蔽了2-位的反應(yīng)位點。關(guān)于烯烴,作者認為與Ni配位的大位阻配體導(dǎo)致發(fā)生了反馬氏規(guī)則的芳氫化。作者嘗試使用更大位阻配體L2,L3對映選擇性不斷提高(entries 2-3)。使用作者之前開發(fā)的SIPE類型的配體,對映選擇性明顯提高(entries 4-6)。使用不飽和的NHC L7配體,產(chǎn)率及對映選擇性均明顯下降(entry 7)。此外,作者嘗試了其它LewisAlMe3  AlEt均沒有MAD效果好(entries 8-9)??刂茖嶒炞C明NiMAD、NHCs對于該反應(yīng)均是至關(guān)重要的(entries 10-12)

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Table 1. 反應(yīng)條件優(yōu)化(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

底物拓展:作者以與吡啶3-位相連的烯烴進行底物拓展(Table 2),均可以以完全的區(qū)域選擇性,中等到優(yōu)秀的收率及非常好的立體選擇性獲5,6,7,8-THIQs。烯烴上取代基的立體效應(yīng)對于反應(yīng)的影響很小,2c-2f,2q均能以良好的收率及立體選擇性獲得。苯乙烯類型的底物無論苯環(huán)上連有供電子取代基(1a,1g,1i,1j,1k)還是弱吸電子取代基(1h),反應(yīng)均能很好進行。如酰胺這種可以提供質(zhì)子的底物可以獲得很高的收率及極好的對映選擇性,但是酯類底物如1m產(chǎn)率很低而且會發(fā)生烯烴的異構(gòu)化。一些含有雜環(huán)的底物如1k1n,1o1x,1y均能兼容。除了1,1,二取代烯烴及苯乙烯類底物外,三取代烯烴(1v)及烯胺均能以較高的收率及極好的對映選擇性獲得產(chǎn)物。五元并環(huán)的吡啶依然能夠獲得(2w)。作者也嘗試了吡啶環(huán)含有取代基的底物,同樣能夠兼容(1r1s)作者隨后以與吡啶2-位相連的烯烴進行了底物拓展,無論是1,1二取代烯烴類的底物(3a-3f),還是吡啶環(huán)上不同取代基的底物(3g,3h)均有良好的收率及立體選擇性。作者使用與吡啶4-位相連的烯烴作為底物(5a),反應(yīng)仍能順利進行。最后作者以底物1c進行克級規(guī)模反應(yīng),可以以很高的產(chǎn)率及對映選擇性獲得產(chǎn)物2c。

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Table 2. 底物拓展(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

機理研究:首先,作者使用d-3a96% D)作為底物進行反應(yīng),最終有92%D整合到烯烴的內(nèi)部位置(Scheme 2A)。動力學同位素效應(yīng)(KIE=2.5)表明C-H鍵斷裂可能是決速步。有趣的是,作者使用底物3a在正辛烯存在下進行反應(yīng),幾乎沒有目標產(chǎn)物4a產(chǎn)生,而是獲得了吡啶對位C-H鍵烷基化產(chǎn)物7,這表明對位的C-H鍵氧化加成可能是可逆且很快的(Scheme 2C)。此外,作者使用兩種不同底物進行競爭實驗,沒有發(fā)生同位素的亂置現(xiàn)象(Scheme 2D)。

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 Scheme 2. 機理驗證試驗(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

基于以上實驗結(jié)果,作者推測了反應(yīng)的催化循環(huán)(Scheme 2E):(1)首先,大位阻的MAD與吡啶的N配位,擠壓烯烴與Ni靠近發(fā)生配位;(2)隨后,Ni發(fā)生C-D鍵的氧化加成;(3)然后,反馬式的烯烴插入形成7元環(huán);(4)最后,還原消除產(chǎn)生最終產(chǎn)物,催化劑再生。

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Scheme 2E. 推測的可能的催化循環(huán)(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

小結(jié):上海有機所施世良課題組發(fā)展了第一例吡啶的不對稱C-H鍵環(huán)化的方法,通過使用與吡啶相連的烯烴為底物,在Ni催化劑及手性NHC配體催化下,實現(xiàn)了吡啶3,4-位的C-H鍵的不對稱烷基化。該方法為5,6,7,8-THQs  5,6,7,8-THIQs類化合物的獲取提供了一種高效的方式,同時也拓展了Ni-NHC催化劑的應(yīng)用范圍。

撰稿人:超級瑪麗


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