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JACS:鎳/光氧化還原共催化對(duì)映選擇性合成N-芐基雜環(huán)

來(lái)源:化學(xué)加原創(chuàng)      2022-10-30
導(dǎo)讀:近日,美國(guó)默克公司(Merck & Co., Inc.,)Tiffany Piou和Kevin M. Belyk與加州理工學(xué)院(California Institute of Technology)Sarah E. Reisman課題組合作發(fā)展了鎳/光氧化還原共催化N-雜芳基三氟硼酸鹽與芳基溴化物的對(duì)映選擇性芳基化反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了一系列藥物相關(guān)的手性N-芐基雜環(huán)骨架的合成。其中BiOX類(lèi)手性配體可以高效的實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)過(guò)程,為手性N-芐基雜環(huán)骨架的合成提供了新策略。相關(guān)成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上,文章鏈接DOI:10.1021/jacs.2c07917。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

手性N-芐基雜環(huán)是藥物分子中的重要結(jié)構(gòu)單元(Figure 1a)。通常來(lái)講,此類(lèi)骨架一般使用SN2類(lèi)型的取代反應(yīng),通過(guò)C-N鍵的形成來(lái)構(gòu)建(Figure 1b)。盡管此方法已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展,但是其通常需要合成對(duì)映體富集的親電試劑,且其通常對(duì)雜環(huán)的親核性較為敏感。盡管利用烯烴的氫-官能團(tuán)化反應(yīng)可以替代SN2取代反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)N-芐基雜環(huán)的合成,但是其通常具有底物范圍局限性大等問(wèn)題。此外,對(duì)于含有多個(gè)氮原子的雜環(huán)(如吡唑、咪唑、三唑等)在C-N鍵構(gòu)建過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)區(qū)域選擇性問(wèn)題。除此之外,利用簡(jiǎn)單易得的芳基鹵化物參與的C(sp2)-C(sp3)偶聯(lián)反應(yīng)是構(gòu)建N-芐基雜環(huán)化合物的另一種方法。且在藥物研發(fā)過(guò)程中,可以通過(guò)芳基鹵偶聯(lián)配偶體的替換來(lái)系統(tǒng)的研究此類(lèi)化合物的構(gòu)效關(guān)系。

由于鎳/光氧化還原共催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)可以有效實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的C(sp2)-C(sp3)鍵的構(gòu)建,因此在藥物化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。盡管此類(lèi)催化得到了廣泛的發(fā)展,但到目前為止大多數(shù)反應(yīng)體系均使用非手性配體,從而得到外消旋或非手性產(chǎn)物。而由于利用此方法所制備的先導(dǎo)化合物通常為手性化合物。因此,發(fā)展高效的鎳/光氧化還原共催化體系,高對(duì)映選擇性的實(shí)現(xiàn)C(sp2)-C(sp3)鍵的構(gòu)建具有重要意義,且具有一定的挑戰(zhàn)性。目前已經(jīng)發(fā)展的典型例子包括G. C. Fu和 MacMillan課題組發(fā)展的鎳/光氧化還原共催化氨基酸的芳基化反應(yīng)(Figure 1c)以及Pezzetta, Bonifazi和Davidson課題組發(fā)展的鎳/光氧化還原共催化α-N-雜環(huán)羧酸的芳基化反應(yīng)。雖然Bonifazi/Davidson報(bào)道的方法可以實(shí)現(xiàn)手性N-芐基雜環(huán)的合成,但其產(chǎn)率(多數(shù)反應(yīng)<50%)和對(duì)映選擇性(40-80% ee)均不高。

2014年,Molander課題組實(shí)現(xiàn)了首例鎳/光氧化還原共催化芳基鹵化物與烷基三氟硼酸鹽的偶聯(lián)反應(yīng)。但是其僅展示了一個(gè)不對(duì)稱(chēng)偶聯(lián)的例子,且ee值僅為50%。最近,美國(guó)默克公司Tiffany PiouKevin M. Belyk加州理工學(xué)院Sarah E. Reisman課題組合作發(fā)展了鎳/光氧化還原共催化N-雜芳基三氟硼酸鹽與芳基溴化物的對(duì)映選擇性芳基化反應(yīng),以良好的對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)了一系列藥物相關(guān)N-芐基雜環(huán)骨架的合成(Figure 1d)。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

作者首先以烷基BF31a,2-氯-5-溴嘧啶2a作為模板底物,使用NiCl2·dme 作為鎳源,Ir[dFCF3ppy]2(bpy)PF6 作為光催化劑, K2HPO4作堿對(duì)反應(yīng)進(jìn)行條件篩選。通過(guò)對(duì)48種手性配體進(jìn)行篩選,作者發(fā)現(xiàn)BiOX類(lèi)配體L1和 L2可以以良好的產(chǎn)率和對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)N-芐基雜環(huán)產(chǎn)物3a的合成(Figure 2a)。作者經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的條件篩選得出此反應(yīng)的最優(yōu)條件為NiCl2·dme (10 mol%), L1 or L2 (30 mol%), Ir[dF(CF3)-ppy]2(bpy)PF6 ([Ir], 0.125 mol%), K2HPO4 (3.0 equiv), 2-MeTHF,在光照下(450 nm)反應(yīng)可以分別以80%產(chǎn)率,97% ee(L1)和81%產(chǎn)率,97% ee(L2)得到產(chǎn)物3a(Figure 2b, entry 1)。

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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,作者使用配體L1對(duì)芳基溴化物的底物范圍進(jìn)行探索(Figure 3)。嘧啶的2號(hào)位可以兼容不同電性的取代基(Cl, CN, SMe, OMe),以較高的對(duì)映選擇性(>95% ee)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物3a-3e的合成。此外,一系列取代的3-溴吡啶化物4-溴吡啶也可以順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,以良好的產(chǎn)率和對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物3f-3k的合成。遺憾的是,2-溴吡啶不能兼容此轉(zhuǎn)化。貧電子苯環(huán)衍生物可以在標(biāo)準(zhǔn)條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,以良好的對(duì)映選擇性和中等至良好的產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)氟代產(chǎn)物3l-3o的合成。而簡(jiǎn)單的溴苯2p和烯基溴化物2r參與反應(yīng)的效率較低,當(dāng)使用配體L2時(shí)僅可以以20%產(chǎn)率,78% ee得到產(chǎn)物3p;28%產(chǎn)率,83% ee得到產(chǎn)物3r。值得注意的是,稍微變化一下反應(yīng)條件(440 nm Kessil lamp, 60 h),當(dāng)此反應(yīng)放大至5.0 mmol規(guī)模時(shí)仍可以以78%產(chǎn)率,95% ee得到產(chǎn)物3a。

有趣的是,當(dāng)使用5-溴吡啶酰胺2q反應(yīng)時(shí),無(wú)論使用配體L1還是L2均只能分離到消旋的產(chǎn)物3q。作者認(rèn)為可能是由于吡啶酰胺類(lèi)化合物可以作為配體與手性配體競(jìng)爭(zhēng)與金屬配位,因此沒(méi)有產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)誘導(dǎo)過(guò)程。此外,作者在反應(yīng)中不加配體時(shí)仍可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物3q的合成從而驗(yàn)證了上述假設(shè)。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

隨后,作者發(fā)現(xiàn)利用不同烷基BF3K在溶劑中的溶解度不同可以有效調(diào)控體系中烷基自由基的釋放速度,因此可以有效避免脫硼和二聚產(chǎn)物的生成,從而促進(jìn)目標(biāo)偶聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。接下來(lái),作者對(duì)烷基BF3K的底物兼容性進(jìn)行探索(Figure 4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,4號(hào)位不同取代的吡咯-2-羧酸酯4a-4d均可兼容,以中等至良好的產(chǎn)率得到產(chǎn)物5a-5d(88-97% ee)。當(dāng)吡咯的酯基取代基從2-位移到3-位時(shí),產(chǎn)物5f的ee值有所下降(66%)。此外,含有7-氮雜吲哚(4g)、吡唑(4h4i)以及鄰苯二甲酰亞胺(4j)的BF3K底物均可順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,以中等至良好的對(duì)映選擇性得到產(chǎn)物5g-5j。值得注意的是,N-Boc吡咯烷衍生的BF3K底物4k可以在最優(yōu)反應(yīng)條件下以65%產(chǎn)率,92%ee實(shí)現(xiàn)5k的合成。而在G. C. Fu和 MacMillan課題組發(fā)展的脫羧條件中,N-Boc脯氨酸底物是不能兼容的。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

為了深入理解反應(yīng)機(jī)理,作者進(jìn)行了一系列控制實(shí)驗(yàn)(Figure 5)。首先,在原位形成的L2·NiIIArBr絡(luò)合物中加入1a,[Ir]和K2HPO4后,在450 nm光引發(fā)下并沒(méi)有得到產(chǎn)物3a(Figure 5a)。但是,此實(shí)驗(yàn)并不能完全排除芳基鹵化物氧化加成過(guò)程的存在。隨后,作者在反應(yīng)體系中加入TEMPO后,僅以19%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物3a(96% ee)并伴隨著TEMPO加和物6(69%)的生成(Figure 5b)。接下來(lái),作者利用1a和TEMPO僅在[Ir]存在下反應(yīng),可以以51%的產(chǎn)率得到TEMPO加和物6。而在不存在[Ir]的條件下并沒(méi)有6產(chǎn)生(Figure 5c)。上述實(shí)驗(yàn)均支持在[Ir]催化劑存在下會(huì)產(chǎn)生烷基自由基。

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(圖片來(lái)源:J. Am. Chem. Soc.

總結(jié)

美國(guó)默克公司Tiffany PiouKevin M. Belyk加州理工學(xué)院Sarah E. Reisman課題組合作發(fā)展了鎳/光氧化還原共催化N-雜芳基三氟硼酸鹽與芳基溴化物的對(duì)映選擇性芳基化反應(yīng)。此反應(yīng)可以兼容多種雜環(huán)偶聯(lián)配偶體,以良好的對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)一系列藥物相關(guān)N-芐基雜環(huán)骨架的合成。此體系還可以通過(guò)不同BF3K在溶劑中的溶解度不同來(lái)有效調(diào)控體系中烷基自由基的釋放速度,從而避免副反應(yīng)的發(fā)生。此反應(yīng)策略的發(fā)展為高對(duì)映選擇性實(shí)現(xiàn)C(sp2)-C(sp3)鍵的構(gòu)建提供了新思路。


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