圖1. 利用逆向負(fù)氫穿梭催化動態(tài)形成三元復(fù)合物(圖片來源:Nat. Chem.)
在當(dāng)代有機(jī)合成中,對于復(fù)雜的目標(biāo)化合物,最為理想的合成策略是盡可能通過最短路徑,甚至是一步反應(yīng)合成。由于多組分反應(yīng)的模塊化特點(diǎn)和快速生成多個新化學(xué)鍵的能力,可視為高效的合成方法。然而,如何設(shè)計出有價值的多組分反應(yīng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。作者認(rèn)為,預(yù)先設(shè)計好多組分反應(yīng)物的組合方式,可以得到動態(tài)組裝的處于平衡狀態(tài)的復(fù)合物,具有尚未開發(fā)的巨大潛力(圖1a)。將這些復(fù)合物轉(zhuǎn)化為用于開發(fā)催化方法的模板,可以為復(fù)雜產(chǎn)物提供有價值的合成參考。
生物堿是許多珍貴天然產(chǎn)物和候選藥物的核心結(jié)構(gòu),尤其是氮雜雙環(huán)生物堿——兩個并環(huán)共享氮原子的結(jié)構(gòu)——在自然界中普遍存在,具有多樣化的強(qiáng)大的生物活性(圖1b)。事實上,超過1800個次生代謝物含有八氫吲嗪核心結(jié)構(gòu),自然界中已發(fā)現(xiàn)超過2000種吡咯里西啶和喹諾里西啶衍生物。盡管合成化學(xué)家已經(jīng)開始挑戰(zhàn)這些化合物,但由于它們結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,仍然需要多步驟的合成策略。
本文中,作者采用環(huán)狀胺,缺電子烯烴和醛的多組分反應(yīng),通過逆向負(fù)氫穿梭催化,報道了一步合成復(fù)雜雙環(huán)生物堿結(jié)構(gòu)的策略。作者認(rèn)為所謂的逆向負(fù)氫穿梭催化,是指負(fù)氫遷移過程開始于負(fù)氫給出而不是負(fù)氫攫取。這種動態(tài)形成的復(fù)合物,通過不對稱轉(zhuǎn)化,對映和非對映選擇性地合成有價值的生物堿類產(chǎn)物(圖1c)。
Table 1. 逆負(fù)氫穿梭催化快速合成氮雜雙環(huán)類生物堿(圖片來源:Nat. Chem.)
如Table 1所示,作者了解到烯胺2與Michael受體3的可逆加成能短暫地形成donor–acceptor環(huán)丁烯4,并開始研究大位阻Lewis酸硼烷促進(jìn)該中間體的擴(kuò)環(huán)反應(yīng)。有趣的是,作者發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)Lewis酸B(C6F5)3 1a和弱Lewis酸Ph3B 1e條件下都無法檢測到產(chǎn)物,而在化學(xué)計量的三-(2,6-二氟苯基)硼烷1c條件下可以生成目標(biāo)產(chǎn)物。將這一過程轉(zhuǎn)化為催化模式則需要將催化量的Lewis酸1c和其預(yù)先制備的四烷基銨硼氫化物1c-H組合。如Table 1所示,雙環(huán)-[4.3.0],-[4.4.0]和-[5.4.0]體系可一步構(gòu)建,產(chǎn)物為具有三個相鄰手性中心的單一非對映異構(gòu)體(5a-5c)。使用稠環(huán)反應(yīng)物(5d和5e),以及引入取代基,極大地豐富了產(chǎn)物生物堿類型(5f和5g)。非環(huán)狀仲胺也適用于該體系,最終得到多取代哌啶衍生物(5h)。使用線性醛可以非對映選擇性地形成帶有額外立體中心的氮雜雙環(huán)結(jié)構(gòu)(5k),而使用環(huán)烷基醛則得到螺環(huán)結(jié)構(gòu)(5l)。作者還發(fā)現(xiàn),反應(yīng)效率不受硝基烯烴電子性質(zhì)的影響:給電子(5n-5p)或吸電子(5q-5t)基團(tuán)都可以良好的兼容,其它如雜環(huán)芳基(5u-5w)和烯基(5y)和炔基(5z)取代基都可以耐受。
圖2. 逆向負(fù)氫穿梭概念的拓展:對映選擇性合成、適用底物范圍和機(jī)理循環(huán)。(圖片來源:Nat. Chem.)
如圖2a所示,作者也證明將反應(yīng)錯開順序進(jìn)行也是可行的。反應(yīng)按照(1)烯胺縮合,(2)環(huán)丁烷形成和(3)負(fù)氫穿梭及擴(kuò)環(huán)重組的順序可一步進(jìn)行,產(chǎn)物收率與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)相當(dāng)。此外,反應(yīng)順序的改變使對映選擇性合成成為可能。如圖2a所示,如果使用(2)催化不對稱Michael加成得到手性硝基烷烴中間體,繼續(xù)(1)環(huán)化得到環(huán)丁烷,經(jīng)由(3)負(fù)氫穿梭過程,最終可得到高對映選擇性的氮雜環(huán)產(chǎn)物((+)-5a - (+)-5r)。另外,缺電子烯烴的適用范圍還包括三氟甲基酮(6),當(dāng)這種底物與烯胺2結(jié)合時,會形成二氫吡喃,然后在加入催化劑后,以高產(chǎn)率轉(zhuǎn)化為氮雜環(huán)7(圖2b)。
隨后,作者提出了可能的反應(yīng)機(jī)理循環(huán)。兩種反應(yīng)物可以瞬時形成環(huán)丁烷或二氫吡喃(1H NMR證實),這些瞬態(tài)物種通過開放的兩性離子形式Int-1與它們各自的前體保持動態(tài)平衡。在Lewis酸催化作用下,亞胺部分迅速被硼氫化物1c-H還原成叔胺Int-3。隨后1c在空間上最容易接近的位置攫取負(fù)氫得到形式上重組的亞胺離子Int-4,同時再生得到1c-H。隨后,Int-4自發(fā)關(guān)環(huán)生成雙環(huán)產(chǎn)物并釋放1c,從而繼續(xù)進(jìn)行催化循環(huán)。
圖3. 以天然產(chǎn)物骨架為導(dǎo)向的氮雜環(huán)官能團(tuán)化反應(yīng)(圖片來源:Nat. Chem.)
最后,作者也發(fā)現(xiàn)該生物堿骨架可以很容易地轉(zhuǎn)化為各種天然產(chǎn)物的核心結(jié)構(gòu)(圖3)。其它環(huán)結(jié)構(gòu),如trachelanthamidine骨架(超過250個生物堿的亞結(jié)構(gòu))可以由化合物5a通過縮環(huán)反應(yīng)得到,產(chǎn)物9也包含吡咯里西啶生物堿核心結(jié)構(gòu)。此外,化合物5a通過Polonovski-Potier反應(yīng),可在雙環(huán)氮原子附近高區(qū)域和立體選擇性地引入了多種取代基,包括α-烯丙基化產(chǎn)物(10),α-氰基化產(chǎn)物(11)以及Mannich反應(yīng)產(chǎn)物(14)。而且,將化合物5b的硝基還原成氨基并進(jìn)一步乙?;傻玫?/span>epiquinamide類似物12;將化合物7d的酮羰基還原最終得到lupinine類似物13。
總結(jié) Nuno Maulide教授課題組基于動態(tài)平衡組裝的復(fù)合物,利用負(fù)氫穿梭催化概念,發(fā)展了一種一步合成復(fù)雜框架的模塊化策略。該方法以對映選擇性和非對映選擇性的方式生合成了多種手性生物堿類產(chǎn)物。作者認(rèn)為,本文提出的概念有可能徹底改變多組分反應(yīng)的設(shè)計,促進(jìn)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的突破性發(fā)展。
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