(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺是具有重要生物活性的天然產(chǎn)物和合成有機(jī)化合物的核心骨架(Scheme 1A)。此外,α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺還可以作為重要的合成砌塊實現(xiàn)官能團(tuán)化γ-內(nèi)酰胺和吡咯的合成。因此,化學(xué)家們發(fā)展了許多化學(xué)計量以及催化的合成策略實現(xiàn)α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺的構(gòu)建。例如,王梅祥院士課題組報道了鐵催化三級烯酰胺的分子間環(huán)化、1,3-羥基遷移過程實現(xiàn)了γ-羥基化α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺衍生物的合成(Scheme 1B)。最近,Kleij課題組發(fā)展了鈀催化的多米諾反應(yīng)實現(xiàn)了γ-氫化的α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺衍生物的合成。盡管此領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展,但是利用催化策略實現(xiàn)γ-烷氧基化的α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺衍生物的合成卻很少見。因此,發(fā)展一種操作簡單的模塊化方法來實現(xiàn)一系列γ-烷氧基化、γ-羥基化以及γ-氫化的α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺的合成具有重要意義。
近年來,可見光誘導(dǎo)的激發(fā)態(tài)催化過程已成為有機(jī)合成中的重要工具。最近,使用廉價易得的銅絡(luò)合物代替RuII和IrIII絡(luò)合物作為光催化劑實現(xiàn)轉(zhuǎn)化得到了廣泛的關(guān)注。基于作者對激發(fā)態(tài)銅催化、自由基化學(xué)以及芳?;杂苫鶚O性反轉(zhuǎn)合成應(yīng)用的興趣,最近,美國紐約州立大學(xué)Christopher J. Johnson和Ming-Yu Ngai課題組發(fā)展了首例激發(fā)態(tài)銅催化的[4+1]環(huán)化反應(yīng),高效模塊化合成了一系列γ-官能團(tuán)化的α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺(Scheme 1c)。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
作者首先以N-2-二苯基丙烯酰胺1a、4-氟苯甲酰氯2a以及正己醇3r作為模板底物進(jìn)行反應(yīng)探索。通過一系列條件篩選作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用Cu2O (10.0 mol%), rac-BINAP (20.0 mol%)在對二甲苯/DCE(1:1)(0.1 M)中,100W藍(lán)光LED照射下室溫反應(yīng)22小時可以以98%的核磁產(chǎn)率得到目標(biāo)γ-己氧基化α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物4a??刂茖嶒灡砻縻~催化劑、rac-BINAP配體以及光的照射對反應(yīng)至關(guān)重要,且缺一不可。值得注意的是,當(dāng)使用Ru或Ir類光催化劑時并沒有得到目標(biāo)產(chǎn)物,由此表明銅催化基具有的獨特反應(yīng)活性。
在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后,作者分別對(雜)芳酰氯、烯酰胺和醇的底物范圍進(jìn)行探索(Table 1)。此反應(yīng)可以適用于一系列不同電性取代的(雜)芳酰氯,以中等至良好的產(chǎn)率得到產(chǎn)物4a-4o。一系列官能團(tuán),如鹵素、氰基、酯基、三氟甲基、三氟甲氧基、叔丁基、甲氧基,雜環(huán)等均可兼容。遺憾的是,烷基酰氯不能實現(xiàn)此轉(zhuǎn)化(Table 1A)。此外,此體系還可以兼容不同電性取代的丙烯酰胺衍生物(5a-5n)。值得注意的是,一些具有生物活性的復(fù)雜分子(如ibuprofen, adapalene, piperazine等)衍生物也可以實現(xiàn)此轉(zhuǎn)化,證明了此方法的實用性(Table 1B)。最后,作者發(fā)現(xiàn)水、一級醇、二級醇均可參與反應(yīng)實現(xiàn)γ-羥基化(6a)和γ-烷氧基化(6b-6q)產(chǎn)物的合成。并且體系同樣可以兼容nerol(6p)和(?)-citronellol(6q)等一系列天然醇類(Table 1C)。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
在進(jìn)行底物拓展時,作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用2-三氟甲基苯甲酰氯反應(yīng)時僅以11%的產(chǎn)率得到目標(biāo)γ-烷氧基化α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物,且體系中觀察到了γ-氫化α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物7a的生成。隨后作者在不添加醇的情況下對反應(yīng)體系進(jìn)一步優(yōu)化,可以以91%的產(chǎn)率得到γ-氫化產(chǎn)物7a。且通過對不同取代的芳基酰氯和丙烯酰胺探索,反應(yīng)同樣展現(xiàn)出良好的底物適應(yīng)性(7a-7t, 60-91%, 8a-8m, 56-91%)。其中三氟甲基(7a,7j)、三氟甲氧基(7l,7m)、氰基(7h)、鹵素(F:7b,7j,7k; Cl:7c,7g,7k,7r,7t; Br:7d-7f,7i)以及藥物相關(guān)的雜芳環(huán)(8m)均可兼容,展現(xiàn)出良好的官能團(tuán)兼容性。值得注意的是,利用此轉(zhuǎn)化合成出的82種產(chǎn)物中有80種是新化合物,這為新的藥物、農(nóng)藥以及功能材料的探索提供了新的化學(xué)空間(Table 2)。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
接下來,為了證明α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物的應(yīng)用性,作者進(jìn)行了一系列合成轉(zhuǎn)化(Scheme 2)。首先,作者利用產(chǎn)物7g在Pd/C,H2 (1 atm)存在的條件下以68%的產(chǎn)率,>20:1的非對映選擇性得到相應(yīng)的γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物9a。此外,產(chǎn)物7g還可以與過氧化氫反應(yīng)以61%的產(chǎn)率得到環(huán)氧產(chǎn)物9b。值得注意的是,7g還可以在室溫下與TBSOTf反應(yīng),以89%的產(chǎn)率實現(xiàn)TBS保護(hù)的吡咯產(chǎn)物9c。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
為了深入理解反應(yīng)機(jī)理,作者進(jìn)行了一系列控制實驗(Scheme 3),并得出以下結(jié)論:1)自由基捕獲實驗表明反應(yīng)中可能涉及芳酰基自由基中間體(Scheme 3A);2)γ-羥基化產(chǎn)物并不是生成γ-烷氧基化產(chǎn)物的中間體(Scheme 3B);3)反應(yīng)中涉及銅絡(luò)合物Int-I的形成(Scheme 3C);4)當(dāng)芳環(huán)鄰位有取代時,主要生成γ-氫化產(chǎn)物(Scheme 3D);5)氘代實驗表明γ-氫化產(chǎn)物中的氫原子即來源于丙烯酰胺又來源于溶劑(Scheme 3E);6)開關(guān)燈實驗表明反應(yīng)不在光照下是不發(fā)生的。且在標(biāo)準(zhǔn)條件下生成的γ-氫化產(chǎn)物的量子產(chǎn)率為0.083,這意味著自由基鏈?zhǔn)竭^程是不可能發(fā)生的(Scheme 3F);7)通過CuI?BINAP的UV?Vis吸收波譜可以得出反應(yīng)中含有CuI?BINAP光活性絡(luò)合物(Scheme 3G)。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
基于上述控制實驗,作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應(yīng)機(jī)理(Scheme 4)。首先,藍(lán)光激發(fā)CuI?BINAP絡(luò)合物I形成激發(fā)態(tài)*[CuI?BINAP]絡(luò)合物II。隨后絡(luò)合物II還原芳基酰氯2形成銅絡(luò)合物III并釋放芳?;杂苫?/span>2’。接下來,2’與丙烯酰胺1中的烯烴加成得到三級烷基自由基中間體IV,其可以被III捕獲形成中間體V。接著,V發(fā)生分子內(nèi)縮合得到中間體VI。當(dāng)體系中存在醇的時候,VI經(jīng)歷配體交換、銅中心向γ-位遷移和還原消除過程得到γ-烷氧基化產(chǎn)物4并再生銅催化劑I。當(dāng)體系中不存在醇或者使用鄰位取代的芳?;葧r,絡(luò)合物VI將經(jīng)歷質(zhì)子化和互變異構(gòu)形成γ-氫化產(chǎn)物7和銅物種VIII。最后VIII被對二甲苯還原得到銅催化劑I完成催化循環(huán)。
(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.)
總結(jié)
美國紐約州立大學(xué)Christopher J. Johnson和Ming-Yu Ngai課題組發(fā)展了首例激發(fā)態(tài)銅催化的[4+1]環(huán)化反應(yīng),模塊化實現(xiàn)了一系列α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺的合成。此反應(yīng)條件溫和,底物適用性好,可以兼容一系列復(fù)雜天然產(chǎn)物和藥物分子骨架。此外,合成出的產(chǎn)物α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺可以經(jīng)多種合成轉(zhuǎn)化實現(xiàn)一系列有用雜環(huán)的合成。機(jī)理研究表明反應(yīng)經(jīng)歷了激發(fā)態(tài)Cu(BINAP)催化,通過單電子轉(zhuǎn)移、銅物種對自由基中間體的捕獲以及還原消除或質(zhì)子化過程得到目標(biāo)產(chǎn)物。此反應(yīng)的發(fā)展為α,β-不飽和-γ-內(nèi)酰胺骨架的合成提供了新思路。
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