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Angew:四川大學(xué)余達(dá)剛與葉劍衡課題組可見光催化CO2參與的環(huán)胺化合物C-N鍵羧基化反應(yīng)合成多種氨基酸

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2023-01-26
導(dǎo)讀:近日,四川大學(xué)余達(dá)剛與葉劍衡課題組通過連續(xù)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(ConPET)策略,實現(xiàn)了可見光催化CO2參與的環(huán)胺化合物C-N鍵羧基化反應(yīng)。同時,這也是氮雜環(huán)丁烷、吡咯烷和哌啶的首例光催化還原開環(huán)反應(yīng)。其次,通過該策略可將多種易得的環(huán)胺轉(zhuǎn)化為有價值的β-、γ-、δ-和ε-氨基酸,收率適中至優(yōu)異。此外,該策略無需使用過渡金屬催化劑,具有底物范圍廣泛、反應(yīng)條件溫和、選擇性高和官能團(tuán)耐受性良好等特點。機理研究表明,ConPET可能是生成高活性光催化劑的關(guān)鍵,使得環(huán)胺能夠被還原活化,后續(xù)生成碳自由基和碳負(fù)離子作為關(guān)鍵的中間體。文章鏈接DOI:10.1002/anie.202217918


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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

二氧化碳(CO2)參與的羧基化反應(yīng)是一種用于構(gòu)建重要羧酸及其衍生物的有效方法。近年來,可見光催化由于具有綠色、條件溫和且對環(huán)境友好等特點,被廣泛運用于CO2參與的還原羧基化反應(yīng)中,通過使用有機還原劑作為溫和的電子供體,避免了敏感有機金屬試劑的制備和使用,提高了反應(yīng)的步驟經(jīng)濟(jì)性和實用性。然而,由于產(chǎn)生活性光催化劑過程中的能量損失,單光子吸收過程的光催化體系往往還原能力有限,很難實現(xiàn)惰性底物的羧基化反應(yīng)(Scheme 1A)。相反,連續(xù)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(ConPET)能夠在單個催化循環(huán)中吸收兩個光子,可作為解決上述挑戰(zhàn)的一種有效策略(Scheme 1B),但人們很少將ConPET策略用于實現(xiàn)CO2參與的羧基化反應(yīng)(例如最近報道的Nat. Catal. 2022, 5, 832-838)。

另一方面,氨基酸(AAs)是天然產(chǎn)物、藥物、生物活性分子和材料等中常見的結(jié)構(gòu)單元。除了α-氨基酸,其它種類的氨基酸,如β-、γ-、δ-和ε-氨基酸也因其在藥物化學(xué)和有機合成中的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注(Figure 1)。然而,與α-氨基酸的眾多合成方法相比,β-、γ-、δ-和ε-氨基酸的合成方法要少得多。由于環(huán)胺的開環(huán)反應(yīng)是合成各種官能團(tuán)化胺類化合物的重要方式,作者設(shè)想,能否開發(fā)一種通用策略來實現(xiàn)環(huán)胺中C-N鍵的還原羧基化反應(yīng),合成不同的氨基酸(Scheme 1B)。同時,由于CO2的熱力學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)惰性,CO2是一種弱親電試劑,環(huán)胺可能發(fā)生多種副反應(yīng),如環(huán)加成、還原質(zhì)子化、自偶聯(lián)、低聚和聚合反應(yīng)等,都與所設(shè)計的羧基化反應(yīng)高度競爭。盡管存在這些挑戰(zhàn),四川大學(xué)余達(dá)剛與葉劍衡課題組最近報道了首例可見光催化CO2參與的環(huán)胺類化合物C-N鍵還原羧基化反應(yīng),合成了一系列β-、γ-、δ-和ε-氨基酸衍生物(Scheme 1C)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

首先,作者以N-Boc-2-苯基氮雜環(huán)丁烷 1a與CO2(1 atm)作為模型底物,進(jìn)行了相關(guān)反應(yīng)條件篩選(Table 1)。當(dāng)以2 mol% 4DPAIPN作為光催化劑,DIPEA(2 eq.)作還原劑,Cs2CO3(1 eq.)作堿,30 W藍(lán)色LEDs作為光源,DMAc溶劑中室溫反應(yīng)24 h后,鹽酸淬滅,可以88%的分離收率得到產(chǎn)物2a。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

在獲得上述最佳反應(yīng)條件后,作者對2-芳基氮雜環(huán)丁烷底物1的范圍進(jìn)行了擴展(Table 2)。首先,當(dāng)?shù)孜?中的PG為-Boc、-COOEt、-Piv以及-Bz時,均可順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2a-2d,收率為70-88%。其次,當(dāng)?shù)孜?中的芳基上含有不同電性的取代基時,也與體系兼容,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物2e-2m,收率為58-95%。此外,含有萘基取代的底物1n,可以70%的收率得到產(chǎn)物2n。三環(huán)化合物1o,也是合適的底物,可以72%的收率得到產(chǎn)物2n,dr為2.6:1。含有三級C-N鍵的底物1p,也可以83%的收率得到產(chǎn)物2p。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

緊接著,作者對2-羰基氮雜環(huán)丁烷底物3的范圍進(jìn)行了擴展(Table 3)。研究表明,當(dāng)?shù)孜?中的R為一系列烷基與芳基取代時,均可順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物4a-4l,收率為42-86%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

同時,作者還對2-芳基氮雜環(huán)丙烷底物5的范圍進(jìn)行了擴展(Table 4)。首先,當(dāng)?shù)孜?中的PG為-Boc與-Bz時,均可順利反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物6a-6b,收率為53-94%。其次,當(dāng)?shù)孜?中的芳基上含有不同電性的取代基時,也與體系兼容,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物6c-6k,收率為64-88%。含有三級C-N鍵(5l)或三環(huán)底物(5m),也是合適的底物,獲得相應(yīng)的產(chǎn)物6l-6m,收率為69-89%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

值得注意的是,通過進(jìn)一步條件的優(yōu)化發(fā)現(xiàn),一系列不同取代的吡咯烷和哌啶衍生物,均可順利進(jìn)行光催化羧基化反應(yīng),獲得相應(yīng)的產(chǎn)物8a-8j,收率為38-66%(Table 5)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

隨后,作者對反應(yīng)的實用性進(jìn)行了研究(Scheme 2)。首先,克級規(guī)模實驗,同樣能夠以71%收率得到產(chǎn)物2a。其次,2a在酸性條件下脫保護(hù)后,可以定量的收率得到化合物9。2a在使用NaBH4進(jìn)行還原后,可以91%的收率得到化合物10。10經(jīng)進(jìn)一步的分子內(nèi)環(huán)化脫水后,可以76%的收率得到環(huán)化產(chǎn)物11。2a在標(biāo)準(zhǔn)的多肽縮合條件下,可以83%的收率得到二肽12。2a經(jīng)分子內(nèi)的環(huán)化后,可以80%的收率得到2-吡咯烷酮產(chǎn)物13。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

為了進(jìn)一步了解反應(yīng)的機理,作者進(jìn)行了相關(guān)的實驗研究(Scheme 3)。首先,自由基捕獲實驗表明,反應(yīng)可能形成了芐基自由基(Scheme 3A)。其次,氘代實驗表明,反應(yīng)過程中可能存在芐基碳負(fù)離子(Scheme 3B)。此外,當(dāng)使用另一種親電試劑(丙醛)來捕獲碳負(fù)離子,可以66%的收率得到δ-氨基醇16(Scheme 3C)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

同時,Stern-Volmer熒光淬滅實驗表明,DIPEA對激發(fā)態(tài)光催化劑的還原淬滅更為有利(Figure 2A)。CV實驗表明,1a很難被還原。同時,氮雜環(huán)丙烷和吡咯烷的還原電勢也很低(Figure 2B)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

此外,作者還通過19F NMR對ConPET的過程進(jìn)行了研究(Figure 3)。首先, 3DPAFIFN與DIPEA難以發(fā)生有效的電子轉(zhuǎn)移(step 1),需要在光照下形成激發(fā)態(tài)光催化劑3DPAFIFN*,才會與DIPEA發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,生成3DPAFIPN??(step 2)。同時,3DPAFIPN??無法有效地將電子轉(zhuǎn)移到1h(step 3),而是進(jìn)一步被光激發(fā)為3DPAFIPN??*,才可與1h發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移(SET),轉(zhuǎn)化為3DPAFIFN(step 4)。此外,1H NMR光譜與19F NMR光譜的實驗結(jié)果一致,兩者都支持ConPET過程存在于光催化C-N鍵的羧基化反應(yīng)。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

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 4)。首先,在藍(lán)色LEDs照射下,PC可轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)PC*,通過DIPEA進(jìn)行還原淬滅,可生成PC??和自由基陽離子DIPEA?+。PC??可進(jìn)一步吸收光子,生成PC??*。1a與PC??*經(jīng)SET后,可生成自由基陰離子A,并再生PC。其次,中間體A經(jīng)C-N鍵的斷裂,生成芐基自由基B。隨后,B在另一光催化循環(huán)中進(jìn)行SET還原,生成芐基碳負(fù)離子C。最后,C對CO2進(jìn)行親核進(jìn)攻,可生成目標(biāo)產(chǎn)物。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.)

總結(jié)

四川大學(xué)余達(dá)剛與葉劍衡課題組通過連續(xù)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(ConPET)策略,實現(xiàn)了首例可見光催化CO2參與的環(huán)胺化合物C-N鍵羧基化反應(yīng),合成了一系列β-、γ-、δ-和ε-氨基酸。值得注意的是,該策略也是氮雜環(huán)丁烷、吡咯烷和哌啶的首次光催化還原開環(huán)反應(yīng)。此外,該策略無需使用過渡金屬催化劑,具有底物范圍廣泛、反應(yīng)條件溫和、選擇性高、官能團(tuán)耐受性良好、易于擴展等特點。機理研究表明,ConPET可能是生成高活性光催化劑的關(guān)鍵,使得環(huán)胺能夠被還原活化,后續(xù)生成碳自由基和碳負(fù)離子作為關(guān)鍵的中間體。


文獻(xiàn)詳情:

Lin Chen, Quan Qu, Chuan-Kun Ran, Wei Wang, Wei Zhang, Yi He, Li-Li Liao, Jian-Heng Ye*, Da-Gang Yu*. Photocatalytic Carboxylation of C?N Bonds in Cyclic Amines with CO2 by Consecutive Visible-Light-Induced Electron Transfer. Angew. Chem. Int. Ed. 2023


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