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Buchwald課題組JACS:銅催化芳基溴的胺化反應以及氨基醇的化學選擇性N-/O-芳基化反應

來源:化學加原創(chuàng)      2024-07-23
導讀:近日,美國麻省理工學院Stephen L. Buchwald課題組報道了一種銅催化的堿敏感芳基溴化物(包括具有酸性官能團和五元雜芳烴的底物)的胺化反應,進一步擴展了銅催化C?N偶聯反應的范圍。L8(一種陰離子N1,N2-二芳基苯-1,2-二胺配體)與溫和堿NaOTMS的組合,可生成穩(wěn)定且反應性的催化劑,該催化劑可防止從配位到雜環(huán)或帶電中間體的失活。其次,利用Cu·L8催化的C?O和C?N偶聯反應中親核試劑去質子化的差異,Buchwald課題組還開發(fā)了一種氨基醇底物的化學選擇性N-和O-芳基化反應。當氨基醇具有一級醇和位阻大的胺或苯胺基團時,使用NaOt-Bu作為堿,僅進行C?O偶聯反應。利用NaOTMS作為堿,無論氨基醇的結構如何,都能夠完全和排他性地促進C?N偶聯反應,克服這些反應基于空間位阻的選擇性。這些結果顯著改善了使用N1,N2-二芳基苯-1,2-二胺配體進行銅催化C?N偶聯反應的范圍,并引入了一種新的化學選擇性方法來芳基化氨基醇。文章鏈接DOI:10.1021/jacs.4c05246

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.


正文

N-芳基胺骨架廣泛存在于天然產物、藥物、農業(yè)化學品和有機材料等中。近年來,銅催化C?N鍵形成方法已成為公認的鈀催化方法的替代策略,具有成本低和毒性低等特性。同時,開發(fā)新型的配體以促進以銅催化劑的發(fā)展,一直是此類策略的核心。2023年,Buchwald課題組(J. Am. Chem. Soc. 2023145, 6966.)開發(fā)了一種新型的基于N1,N2-二芳基苯-1,2-二胺骨架的新型陰離子銅配體。在密度泛函理論(DFT)計算的指導下,這些配體被設計為顯著增加銅上的電子密度,同時通過Cu-π相互作用穩(wěn)定活性陰離子催化劑(Figure 1A)。其中,Cu·L4的組合,在降低芳烴氧化加成方面發(fā)揮了關鍵作用,使其能夠在室溫下快速形成C?N鍵。雖然L4衍生的催化劑促進了許多芳基溴化物與脂肪族胺的偶聯,但它需要使用強烷氧基堿(NaOMe或NaOt-Bu),從而導致官能團兼容性差,尤其是與堿敏感基團(如可烯醇化酮、二級酰胺和羧酸)。同時,該方法不能實現五元雜芳基鹵化物(即噻唑、吡唑、三唑等)的偶聯,因為它們在強堿存在下易于分解。2023年,Buchwald課題組(J. Am. Chem. Soc. 2023145, 3323.)報道了一種使用NaOTMS作為溫和堿,實現了鈀催化堿敏感雜芳烴鹵化物的胺化反應(Figure 1B)。然而,當使用銅催化體系時,涉及帶有堿敏感官能團的芳烴或鹵代雜芳烴未能有效的參與反應。為了解決上述的兼容性問題,近日,美國麻省理工學院Stephen L. Buchwald課題組報道了一種銅催化的堿敏感芳基溴化物(包括具有酸性官能團和五元雜芳烴的底物)的胺化反應。同時,Buchwald課題組還開發(fā)了一種氨基醇底物的化學選擇性N-和O-芳基化反應(Figure 1C)。化學加——科學家創(chuàng)業(yè)合伙人,歡迎下載化學加APP關注。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

首先,作者以4-溴苯甲醚1a與嗎啉2a作為模型底物,進行了相關偶聯反應條件的篩選(Figure 2A)。當以CuI(5 mol %)作為催化劑,L8(10 mol %)作為配體,NaOTMS(1.25 equiv)作為堿,在DMSO溶劑中24 oC反應16 h,可以99%的收率得到N-芳基胺產物3a。同時,在1a2a的標準反應體系中加入不同的五元雜芳烴添加劑的實驗結果表明,衍生自L8的催化劑阻止了由配位誘導配體置換引起的失活,并且五元雜芳基溴化物可能在50 oC進行反應(Figure 2B)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

在獲得上述最佳反應條件后,作者對底物范圍進行了擴展(Scheme 1)。首先,含有酰胺(1a1e)、可烯醇化酮(1b1d)、叔丁基酯(1g)和羧酸(1h)取代的芳烴,均可與一級或二級胺偶聯,可以良好至優(yōu)異的產率得到相應的產物。堿敏感胺,也以良好至優(yōu)異的產率得到相應的N-芳基胺1c1f。三種α-三級胺,也是合適的底物,可以中等至良好的產率得到相應的產物1i、1j1t。其次,一系列五元雜芳基鹵化物和苯稠合雜芳烴,均可順利進行反應,可以良好至優(yōu)異的產率得到相應的產物1k-1t。此外,該策略還可用于一些藥物和天然產物的后期衍生化,可以良好至優(yōu)異的產率得到相應的產物1u-1x。雖然R3Si-基保護基在反應條件下是不穩(wěn)定的,但THP-保護的苯酚可以良好的產率進行胺化(1y)。除了N-雜環(huán)烷基化(1z)外,SEM基團的N-保護也具有良好的產率(1aa)。N-Boc和N-甲苯磺酰基在反應條件下是不穩(wěn)定的,導致脫保護和催化劑抑制。由于分解,含醛的芳基溴化物與胺化方案不相容。然而,使用溴化二乙縮醛進行C?N偶聯,然后用2M HCl原位脫保護,可以兩步優(yōu)異的產率得到含醛的N-芳基胺產物1ab。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

其次,作者進一步對親核試劑的底物范圍進行了擴展(Scheme 2)。研究結果表明,一系列苯胺衍生物與二苯甲酮亞胺,均可順利進行反應,獲得相應的產物2a-2f,收率為74-93%。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

緊接著,作者對衍生自L8的催化劑的穩(wěn)定性以及反應的實用性進行了研究(Figure 3)。研究結果表明,衍生自L8的銅催化劑在整個反應過程中是非常穩(wěn)定的,并且可以使用較低的催化劑負載量。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

最后,作者提出了合理C-N和C-O偶聯的催化循環(huán)過程(Figure 4A與Figure 4B)。其中,C?N鍵形成的一般機理涉及去質子化前胺和銅的配位(Figure 4A),而C?O鍵形成的一般機理不涉及銅輔助的醇去質子化(Figure 4B)?;谏鲜龅臋C理,作者發(fā)現,當使用不同的堿時,可進行化學選擇性N-和O-芳基化反應(Figure 4C)。研究結果表明,當氨基醇具有一級醇和位阻大的胺或苯胺基團時,使用NaOt-Bu作為堿時,僅進行C?O偶聯反應,獲得相應的產物4a4c、4e、4g、4m4n,收率為77-96%。當使用NaOTMS作為堿時,無論氨基醇的結構如何,僅能進行C?N偶聯反應,獲得相應的產物4b4d、4f、4h-4m4o,收率為70-96%。(Figure 4D)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.


總結

Stephen L. Buchwald課題組開發(fā)了一種L8衍生的催化劑,并與溫和堿NaOTMS相結合,實現了堿敏感芳基溴化物(包括具有可烯醇化酮、羧酸和二級酰胺的芳烴)的C?N偶聯反應。重要的是,許多堿敏感和配位雜環(huán)化合物也能夠順利進行胺化反應。動力學實驗支持衍生自L8催化劑的穩(wěn)定性,并且偶聯反應可以用最小的催化劑和配體負載量進行。最后,利用L8·Cu催化劑進行的銅催化C?O和C?N偶聯反應機理差異,作者還開發(fā)了利用不同的堿,實現了氨基醇底物的化學選擇性N-和O-芳基化反應。 

文獻詳情:

Cu-Catalyzed Amination of Base-Sensitive Aryl Bromides and the Chemoselective N- and O?Arylation of Amino Alcohols
Michael J. Strauss, Kaylee X. Liu, Megan E. Greaves, Jakob C. Dahl, Seoung-Tae Kim, Yong-Jin Wu, Michael A. Schmidt, Paul M. Scola, Stephen L. Buchwald*.
J. Am. Chem. Soc. 2024
https://doi.org/10.1021/jacs.4c05246

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