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Nat. Commun.:汽車尾氣CO?作碳源,直接合成γ-內(nèi)酰胺

來(lái)源:化學(xué)加原創(chuàng)      2023-11-27
導(dǎo)讀:近日,德國(guó)拜羅伊特大學(xué)(University of Bayreuth)Shoubhik Das課題組發(fā)展了利用商業(yè)可得的烯烴和胺作為起始原料,汽車尾氣作為碳源,直接實(shí)現(xiàn)了γ-內(nèi)酰胺的合成。該轉(zhuǎn)化底物范圍廣,官能團(tuán)兼容性好,適用于現(xiàn)有藥物和天然產(chǎn)物的后期轉(zhuǎn)化來(lái)合成官能團(tuán)化的γ-內(nèi)酰胺。此策略的發(fā)展將為γ-內(nèi)酰胺的合成提供了一種可持續(xù)的方式,并推動(dòng)了碳捕獲和利用(Carbon Capture and Utilization,CCU)戰(zhàn)略的發(fā)展。相關(guān)成果發(fā)表在Nat. Commun.上,文章鏈接DOI:10.1038/s41467-023-43289-w。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

正文

γ-內(nèi)酰胺是一類重要的結(jié)構(gòu)骨架,其廣泛存在于天然產(chǎn)物和藥物中(Fig. 1a)。鑒于其重要性,探索γ-內(nèi)酰胺的合成方法具有重要意義。通常來(lái)講,γ-內(nèi)酰胺是由氨基酸衍生物在定量的偶聯(lián)聯(lián)劑(如N,N'-雙環(huán)己基碳二亞胺—DCC,乙酸酐等)存在下縮合而成的(Fig. 1b)。除此之外,氮保護(hù)的酰胺或二噁唑酮的N-烷基化和?;彩呛铣搔?內(nèi)酰胺的重要手段。然而,所有這些策略通常都需要對(duì)底物進(jìn)行預(yù)官能團(tuán)化,同時(shí)還面臨著一系列副反應(yīng)的發(fā)生。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。

近些年,二氧化碳參與的有機(jī)合成反應(yīng)在藥物和精細(xì)化學(xué)品合成方面有著巨大的應(yīng)用。然而,實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)化均需要使用純二氧化碳?xì)怏w,而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的凈化則需要較高的成本。最近,德國(guó)拜羅伊特大學(xué)Shoubhik Das課題基于Schoenebeck 和Rovis利用二氧化碳作為活化劑來(lái)構(gòu)建γ-內(nèi)酰胺的開(kāi)創(chuàng)性工作(Fig. 1c),發(fā)展了利用商業(yè)可得的烯烴和胺作為起始原料和汽車尾氣作為二氧碳源,直接實(shí)現(xiàn)了γ-內(nèi)酰胺的合成(Fig. 1d)。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

首先,作者以N-乙基苯胺1a和1,1-二苯基乙烯2a作為模板底物對(duì)反應(yīng)進(jìn)行探索(Table 1)。通過(guò)一系列條件篩選,作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用1a (1.2 equiv), 2a (1.0 equiv), Ir(ppy)2(dtbbpy)PF6 (0.2mol%), KHCO3 (20mol%), 在DMF (2.0 mL)中,40W blue Kessil lamp (λ = 456 nm)照射下,CO2氣球存在下,室溫反應(yīng)20小時(shí),可以以 98% 的核磁產(chǎn)率和90%的分離產(chǎn)率得到相應(yīng)的γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物3a(entry 1)??刂茖?shí)驗(yàn)表明,反應(yīng)在不存在光催化劑、堿、二氧化碳和光照等條件下是不能發(fā)生的(entries 7-10)。此外,當(dāng)將此轉(zhuǎn)化放大至10.0 mmol規(guī)模時(shí)仍可以以92%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物,證明了此轉(zhuǎn)化的實(shí)用性(entry 11)。值得注意的是,當(dāng)直接使用汽車尾氣(CO2: 10.8414%, N2: 61.0585%, CO: 0.0054%, O2: 2.4532%, CH4: 0.0061% 和其它)作為碳源時(shí),可以以85%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物3a(entry 12)。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

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)行了探索(Fig. 2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此轉(zhuǎn)化對(duì)一系列不同取代的胺和烯烴均具有良好的兼容性,以33-98%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的γ-內(nèi)酰胺或ε-內(nèi)酰胺產(chǎn)物3a-3z, 3aa-3ac, 4a-4p。值得注意的是此體系對(duì)鹵素、烷基、三氟甲氧基、酯基、羧基、氰基、炔基等一系列基團(tuán)均可兼容,展現(xiàn)了此體系的良好官能團(tuán)兼容性。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

接下來(lái),為了證明此轉(zhuǎn)化的使用性,作者探索了一系列生物活性分子的兼容性,從而為生物活性分子中引入γ-內(nèi)酰胺骨架提供了新的策略(Fig. 3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,包括cholesterol (5a), (+)-dehydroabietylamine (5b), oleylamine (5c), (-)-cis-myrtanylamine (5d), tocopherol (5e), nerol (5f), L-menthol (5g), fenofibrate (5h), flurbiprofen (5i) 和 dexibuprofen (5j) 等生物活性分子均可兼容此轉(zhuǎn)化,以40-86%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物5a-5m,進(jìn)一步證明了此轉(zhuǎn)化的實(shí)用性。特別值得注意的是,當(dāng)直接使用汽車尾氣(包含CO2, N2, H2O, CO, NOx和 O2)作為碳源時(shí),仍可以以49-71%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物5bb-5db5gb5ib5jb。

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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

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)(Fig. 4)。首先,自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明,反應(yīng)中涉及α-氨基自由基中間體(Fig. 4a)。隨后,氘標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明γ-氨基芐基陰離子可能是反應(yīng)中的活性中間體(Fig. 4b)。此外,當(dāng)使用庚醛作為親電試劑時(shí)可以以中等產(chǎn)率(65%)得到γ-氨基醇產(chǎn)物,進(jìn)一步證明了γ-氨基芐基陰離子中間體的存在(Fig. 4c)。緊接著,作者通過(guò)三氟甲基烯烴的脫氟烷基化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步支持了γ-氨基芐基陰離子中間體的存在(Fig. 4d)。接下來(lái),13CO2標(biāo)記實(shí)驗(yàn)清晰的表明γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物中的羰基來(lái)自于二氧化碳(Fig. 4e)。最后,開(kāi)關(guān)燈實(shí)驗(yàn)表明光照對(duì)實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。


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(圖片來(lái)源:Nat. Commun.

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應(yīng)機(jī)理(Fig. 5)。首先,[IrIII]光催化劑被可見(jiàn)光激發(fā)得到[IrIII]*。隨后,激發(fā)的[IrIII]*絡(luò)合物作為氧化劑接受1a提供的電子形成物種A和[IrII]。接下來(lái)。A在KHCO3的協(xié)助下失去質(zhì)子得到自由基中間體B,并與2a反應(yīng)得到自由基物種C。緊接著,C與[IrII]經(jīng)歷單電子轉(zhuǎn)移(SET)還原得到γ-氨基芐基陰離子中間體D。在二氧化碳存在下,物種D進(jìn)攻二氧化碳的親電碳中心形成相應(yīng)的羧基負(fù)離子E。最后,通過(guò)分子內(nèi)親核進(jìn)攻得到相應(yīng)的γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物。

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總結(jié)

Shoubhik Das課題發(fā)展了一種光氧化還原策略,利用簡(jiǎn)單易得的胺、烯烴和CO2實(shí)現(xiàn)了γ-內(nèi)酰胺的合成。重要的是,此光氧化還原策略顯示出廣泛的底物范圍,并且該體系可以兼容一系列復(fù)雜生物活性分子,這突出了該策略在構(gòu)建生物活性類似物庫(kù)方面的實(shí)用性。此外,該轉(zhuǎn)化可以規(guī)?;铣?,這表明其在工業(yè)生產(chǎn)中的強(qiáng)大應(yīng)用潛力。值得注意的是,當(dāng)使用汽車尾氣來(lái)代替純二氧化碳時(shí)仍可以實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)化,這可以免去二氧化碳純化過(guò)程中的能量消耗和成本消耗,具有重要的實(shí)用價(jià)值。

文獻(xiàn)詳情:

Yuman Qin, Robin Cauwenbergh, Suman Pradhan, Rakesh Maiti, Philippe Franck, Shoubhik Das*. Straightforward synthesis of functionalized γ-Lactams using impure CO2 stream as the carbon source, Nat. Commun.2023, https://doi.org/10.1038/s41467-023-43289-w.

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