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張萬(wàn)斌團(tuán)隊(duì)Nat. Chem.:鎳催化肟的不對(duì)稱氫化反應(yīng)

來(lái)源:化學(xué)加      2022-06-14
導(dǎo)讀:近日,上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張萬(wàn)斌教授課題組在鎳催化肟的不對(duì)稱氫化反應(yīng)研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展,相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Chemistry上。

羥胺尤其是手性羥胺及其衍生物在生物的生理活動(dòng)中扮演著非常重要的角色,是一些藥物以及其它生物活性化合物的重要構(gòu)筑單元(圖1a)。然而,手性羥胺由于合成極其困難而報(bào)道極少。因此,這類(lèi)化合物的合成一直受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。一直以來(lái),過(guò)渡金屬催化的不對(duì)稱氫化反應(yīng)由于其原子經(jīng)濟(jì)性高和催化效果優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用于各種手性分子的合成中,解決了絕大部分種類(lèi)的含有不飽和鍵底物的高效氫化轉(zhuǎn)化。然而,通過(guò)肟(C=N-OH)的不對(duì)稱催化氫化制備手性羥胺(C-N-OH)一直是不對(duì)稱氫化反應(yīng)中懸而未決的挑戰(zhàn)。究其原因主要有兩點(diǎn):1)肟分子的C=N雙鍵反應(yīng)活性較低,過(guò)渡金屬催化劑較難實(shí)現(xiàn)這類(lèi)雙鍵的氫化還原;2)肟和羥胺分子中的氮氧原子上的孤對(duì)電子之間存在較強(qiáng)的排斥作用,使得它們的N-O鍵容易發(fā)生斷裂,進(jìn)而導(dǎo)致在氫化反應(yīng)中直接生成手性胺類(lèi)化合物。目前報(bào)道的一些過(guò)渡金屬催化肟的不對(duì)稱氫化反應(yīng)大多如此(圖1b)。到目前為止也只有兩例以相對(duì)穩(wěn)定的肟醚為底物進(jìn)行氫化還原生成非手性和手性羥胺醚產(chǎn)物的報(bào)道(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 13278;Science 2020, 368, 1098)。

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圖1含有N?O骨架代表性化合物以及肟的氫化

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張萬(wàn)斌教授課題組一直致力于過(guò)渡金屬催化的不對(duì)稱氫化研究,開(kāi)發(fā)了以稀有金屬銠、釕、銥、鈀和豐產(chǎn)金屬鎳、鈷為催化劑的不對(duì)稱氫化反應(yīng)(部分代表工作,稀有金屬:Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2203; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 1901; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2260-2264; Nat. Commun. 2018, 9, 5000; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11505; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23602;豐產(chǎn)金屬:Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7329; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15767; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5371; Nat. Commun. 2020, 11, 5935; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 16989)。近來(lái),他們首先在稀有金屬催化不對(duì)稱氫化反應(yīng)中,發(fā)現(xiàn)催化劑與底物之間會(huì)形成一些不同于共價(jià)作用的π/HCπ/HC弱相互作用Pd: Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 11632; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8444; Nat. Commun. 2018, 9, 5000; iScience 2020, 23, 100960; Rh: Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11505; ACS Catal. 2020, 10, 3232),這些弱相互作用在不對(duì)稱催化氫化反應(yīng)中起到類(lèi)似于其在生物體內(nèi)的酶催化反應(yīng)中的作用,可以有效降低催化反應(yīng)的活化能并減少副反應(yīng)的發(fā)生。尤其是基于這些弱相互作用,他們成功地實(shí)現(xiàn)了多例具有挑戰(zhàn)性的豐產(chǎn)金屬NiCo催化的高效不對(duì)稱氫化反應(yīng)Ni: Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7329; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5371-5375; Nat. Commun. 2020, 11, 5935; Co: Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58,15767),使得相關(guān)豐產(chǎn)金屬催化不對(duì)稱氫化反應(yīng)具有了工業(yè)化應(yīng)用的可能。基于此,他們?cè)O(shè)計(jì)了一種鎳催化肟的不對(duì)稱氫化反應(yīng),期望利用上述弱相互作用來(lái)降低肟的氫化反應(yīng)能壘,同時(shí)利用這種作用來(lái)穩(wěn)定肟分子的氮氧鍵,從而實(shí)現(xiàn)手性羥胺的不對(duì)稱合成(圖1c)。

首先,作者以化合物(E)-苯甲酮肟為模板底物,進(jìn)行了不同條件的測(cè)試。在對(duì)不同配體進(jìn)行考察時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)使用富含π電子體系的(S,S)-Ph-BPE時(shí),反應(yīng)可以取得97%的轉(zhuǎn)化率和93%的對(duì)映選擇性,而不含π電子體系的(R,R)-iPr-BPE僅能取得9%的轉(zhuǎn)化率。當(dāng)溶劑中不加乙酸時(shí),反應(yīng)以當(dāng)量的方式進(jìn)行,說(shuō)明酸有助于催化劑與產(chǎn)物的解離。此外,作者還考察了乙酸的當(dāng)量對(duì)反應(yīng)的影響(圖2)。

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2部分條件優(yōu)化

接下來(lái),作者對(duì)該反應(yīng)的底物范圍進(jìn)行了考察(圖3)。結(jié)果表明,無(wú)論是芳基上取代基位置變化,還是取代基的給電子和吸電子類(lèi)型變化,甚至是取代基數(shù)目變化,所有這些底物均能給出優(yōu)秀的對(duì)映選擇性(2a-v)。同時(shí),改變芳基為萘基,或者改變甲基為其他烷基,以及雙烷基取代的底物也能保持高對(duì)映選擇性(2w-ab)。值得注意的是,對(duì)于含有Z/E-構(gòu)型混合的底物,該反應(yīng)也能給出良好的結(jié)果(2a, 2ac-ae)。隨后,作者進(jìn)一步考察了肟醚類(lèi)底物的適應(yīng)性,其反應(yīng)也表現(xiàn)優(yōu)秀(2af-aw)。

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3底物范圍

此外,令人高興的是,肟醚類(lèi)底物1av在優(yōu)化的條件下可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化數(shù)S/C為1000的克級(jí)規(guī)模反應(yīng)。最后,作者對(duì)得到的部分手性羥胺化合物進(jìn)行了衍生化,如:所得產(chǎn)物2av可以用來(lái)合成環(huán)磺酰胺或者環(huán)磷酰胺類(lèi)化合物(圖4)。

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4催化效率及應(yīng)用研究

作者又通過(guò)DFT計(jì)算對(duì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探索。考慮到底物在反應(yīng)中存在Z/E構(gòu)型互變現(xiàn)象,作者首先計(jì)算了Z-1aE-1a兩種構(gòu)型分別與催化劑接近過(guò)程中的四種途徑的能量變化。結(jié)果表明E-1a的兩個(gè)途徑的能量要明顯低于Z-1a的(圖5a)。這個(gè)結(jié)論也可以從分析兩種構(gòu)型的結(jié)構(gòu)中初步得出,在E-1a中,其苯環(huán)可以與催化劑之間形成π相互作用而降低能量,而在Z-1a中,由于苯環(huán)與羥基發(fā)生分子內(nèi)OHπ作用導(dǎo)致其不能參與“催化劑-底物”分子間的π相互作用(圖5b)。

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5四種途徑的能量變化

為了探索該反應(yīng)的整個(gè)催化循環(huán)過(guò)程,尤其是氫轉(zhuǎn)移過(guò)程中的對(duì)映選擇性,作者進(jìn)一步計(jì)算了E-1a的兩個(gè)途徑中的中間體能量變化(圖6)。反應(yīng)從鎳氫物種7開(kāi)始,通過(guò)分子間的π相互作用形成中間體8,然后經(jīng)過(guò)過(guò)渡態(tài)TS1形成氫轉(zhuǎn)移中間體9,隨后結(jié)合一分子氫氣形成10,并在催化劑作用下經(jīng)過(guò)TS2異裂H-H鍵形成中間體11。中間體11并不能直接解離出產(chǎn)物和催化劑,而是在結(jié)合一分子乙酸形成中間體12,然后斷裂Ni-N鍵形成中間體13,并進(jìn)一步解離出產(chǎn)物和鎳氫物種完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程。可以看出,在過(guò)渡態(tài)TS1TS2中,催化劑與底物之間形成了以CH???HCCH???π為主的許多弱相互作用,其中在TS1(S)中,催化劑與底物之間產(chǎn)生的弱相互作用的數(shù)量要明顯多于TS1(R),這使得他們之間的能量差值達(dá)到6.3 kcal/mol,足以說(shuō)明反應(yīng)更傾向于S路徑


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