
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
在現(xiàn)代藥物發(fā)現(xiàn)中,生物等排體取代是改善藥物和候選藥物各種物理化學性質(zhì)的重要途徑。其中,雙環(huán)[1.1.1]戊烷(BCP)骨架是一種對位二取代芳基生物等排體,也是叔丁基或炔烴生物等排體,具有有利的藥代動力學特性,如被動滲透性、水溶性、代謝穩(wěn)定性等。芳基取代的BCP衍生物是藥學上重要的骨架(Figure 1A),但其合成仍具有難度。其中,通過[1.1.1]螺槳烷的多步反應是制備芳基取代BCP衍生物的常用方法(Figure 1B)。例如,化學家們報道了芳基鹵化物和BCP親核試劑(衍生自[1.1.1]螺槳烷)之間的Kumada-、Negishi-和Suzuki-型偶聯(lián)反應,但需合成和使用反應性有機金屬試劑,導致官能團兼容性差。同時,Baran和Anderson課題組還報道了芳基金屬試劑與BCP氧化還原活性酯或碘化物的交叉偶聯(lián)反應,但對于BCP親電試劑合成至少需從[1.1.1]螺槳烷經(jīng)一步反應。并且,大多數(shù)反應均集中于α-一級或-二級芳基-BCPs的制備上,且需多步操作。然而,僅有少數(shù)合成α-季碳BCP-芳基衍生物的方法,且僅限于特定的子結(jié)構(gòu)。作者認為,成功的MCR(Multicomponent reactions,多組分反應)方法的一個關鍵因素是對[1.1.1]螺槳烷的選擇性烷基加成,而不是直接加成到鎳中心,這利用了無環(huán)三級烷基自由基和BCP自由基在鎳催化劑捕獲方面明顯不同的反應性。無環(huán)三級自由基更容易從Ni(III)中心解離形成Ni(II)和無環(huán)烷基三級自由基,而對于環(huán)狀三級烷基自由基,能量學有利于Ni(III)配合物的形成?;谶@一假設,光生成的三級烷基自由基經(jīng)不可逆的自由基加成至[1.1.1]螺槳烷中而非鎳中心,生成BCP自由基。隨后,用鎳催化劑進行自由基捕獲,生成形式的Ni(III)配合物,該配合物經(jīng)還原消除生成芳基化BCP產(chǎn)物(Figure 1C)。近日,美國賓夕法尼亞大學Gary A. Molander課題組報道了一種鎳/光氧化還原雙重催化[1.1.1]螺槳烷、芳基鹵與烷基三氟硼酸鉀鹽的三組分雙碳官能團化反應,合成了一系列芳基化雙環(huán)[1.1.1]戊烷衍生物(BCPs)(Figure 1D)。

(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
首先,作者以t-BuBF3K(1)、螺槳烷2與4-溴芐腈3作為模型底物,進行了相關三組分偶聯(lián)反應條件的篩選(Table 1)。當以[Ir(dFCF3ppy)2dtbbpy]PF6作為光催化劑,Ni(dtbbpy)Br2作為金屬催化劑,Cs2CO3作為堿,DME作為溶劑,可在390 nm LED輻射下25 oC反應16 h,可以75%的收率得到芳基化雙環(huán)[1.1.1]戊烷產(chǎn)物4。

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在獲得上述最佳反應條件后,作者對(雜)芳基溴底物范圍進行了擴展(Figure 2)。首先,一系列具有不同電性取代的芳基溴,均可順利反應,獲得相應的產(chǎn)物4-19,收率為31-81%。值得注意的是,一系列活性基團,如腈基、酯基、羰基等,均與體系兼容??思壱?guī)模實驗,可以76%的收率獲得產(chǎn)物12。其次,雜芳基溴,如吡啶基、嘧啶基、呋喃基、喹啉基、噻唑基、噻吩基等,均與體系兼容,獲得相應的產(chǎn)物20-33,收率為28-82%。此外,當以5-溴-2-(甲基磺酰基)嘧啶為底物時,可獲得36%收率的非預期產(chǎn)物34,可能是由于競爭性 Minisci-型反應導致。

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緊接著,作者對三級烷基三氟硼酸鹽的底物范圍進行了擴展(Figure 3)。研究表明,一系列不同取代的烷基三氟硼酸鹽,均可順利反應,獲得相應的產(chǎn)物35-46,收率為25-64%。其中,含有羰基、酯基、烯基等活性基團的底物,均可與體系兼容。

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為了進一步證明反應的實用性,作者對一些復雜的藥物分子進行了后期衍生化實驗,獲得相應的產(chǎn)物47-52,收率為35-58%(Figure 4)。

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此外,作者還對反應機理進行了相關的研究(Figure 5)。首先,二級(環(huán)己基)和三級(叔丁基)自由基之間的競爭性實驗表明,三級自由基只參與該MCR過程,而二級自由基僅參與雙組分反應(Figure 5A)。其次,BCP和三級(叔丁基)自由基之間的競爭性實驗表明,BCP橋頭自由基更容易與鎳催化劑結(jié)合進入交叉偶聯(lián)催化循環(huán),而無環(huán)三級自由基則非常緩慢(Figure 5B)。此外,使用馬鞭烯酮衍生的烷基三氟硼酸鹽,可獲得開環(huán)產(chǎn)物57,從而表明MCR過程涉及自由基途徑(Figure 5C)。

(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
基于上述的研究以及相關文獻的查閱,作者提出了一種合理的催化循環(huán)過程(Figure 6)。首先,烷基三氟硼酸鹽試劑與Ir* II的單電子氧化生成三級烷基自由基V。自由基V可與[1.1.1]螺槳烷進行不可逆的自由基加成,生成BCP自由基VI,可被Ni(0)配合物VII捕獲生成烷基鎳(I)配合物VIII。隨后,VIII與(雜)芳基溴進行快速的氧化加成,生成Ni(III)配合物X,其經(jīng)過還原消除,可獲得目標偶聯(lián)產(chǎn)物和Ni(I)配合物XI。此外,反應還存在另一種途徑,即Ni(0)配合物VII還可與(雜)芳基溴反應,生成Ni(II)配合物IX,可捕獲BCP自由基VI以生成Ni(III)配合物X。隨后,Ni(III)配合物經(jīng)快速且高效的C-C鍵形成,從而生成芳基化BCP產(chǎn)物。

(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
總結(jié):美國賓夕法尼亞大學Gary A. Molander課題組報道了一種鎳/光氧化還原雙重催化實現(xiàn)一步三組分自由基偶聯(lián)反應,合成了一系列芳基化雙環(huán)[1.1.1]戊烷衍生物,且避免了對[1.1.1]螺槳烷的預官能團化處理。同時,通過該策略可在一個步驟中形成兩個C-C鍵以及三個季碳中心。此外,該策略具有反應條件溫和、底物范圍廣泛、官能團兼容性高等特點。
文獻詳情:
Weichen Huang, Sebastian Keess, and Gary A. Molander*.Dicarbofunctionalization of [1.1.1]Propellane Enabled by Nickel/Photoredox Dual Catalysis: One-Step Multicomponent Strategy for the Synthesis of BCP-Aryl Derivatives.JACS.https://doi.org/10.1021/jacs.2c05304

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