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Nat. Chem.:立體選擇性高效合成β-取代的α-氨基酸

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-04-18
導(dǎo)讀:同手性(Homochiral)氨基酸是藥物合成中不可或缺的組成部分,也是構(gòu)建生物活性分子的基礎(chǔ)。然而,傳統(tǒng)的合成方法主要集中在控制α-立體中心上,而對于具有-立體中心的α-氨基酸的合成則相對困難。β-立體中心對于生物活性分子的構(gòu)象和性質(zhì)具有重要影響,因此具有β-取代的α-氨基酸的合成具有重要意義。然而,迄今為止,合成這類化合物的方法相對有限且復(fù)雜,大多數(shù)方法需要復(fù)雜的前體或特殊的條件。一些先前的研究表明,通過生物催化或不對稱合成方法可以合成一些具有β-立體中心的α-氨基酸,但這些方法通常存在局限性,并且不適用于所有的底物。 為此,英國利物浦大學(xué)John F. Bower教授團(tuán)隊提出了一種新穎的銥催化方法,該方案可實現(xiàn)簡單烯烴和甘氨酸衍生物的直接上轉(zhuǎn)換,以產(chǎn)生具有特殊水平的區(qū)域和立體控制的β-取代的α-氨基酸。利用甘氨酸衍生物中的N-H單元作為引導(dǎo)基,實現(xiàn)了對鄰近羰基的烯醇化反應(yīng)。所得立體明確的烯醇化物與苯乙烯或-烯烴交叉偶聯(lián)以安裝兩個連續(xù)的立構(gòu)中心。該方法具有高度的區(qū)域選擇性和立體選擇性,并且具有完全的原子經(jīng)濟(jì)性。這一方法提供了一種獨特的策略,可以直接合成具有β-立體中心的α-氨基酸,并為連續(xù)立體中心的安裝提供了新的思路。文章鏈接 DOI:10.1038/s41557-024-01473-5

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正文

圖1展示了一種針對甘氨酸衍生物和烯烴的導(dǎo)向烯醇化策略,實現(xiàn)了對甘氨酸基前體進(jìn)行直接的立體控制的C-H烷基化。圖中a部分指出β-立體異構(gòu)體α-氨基酸的合成難度,b部分描述了研究的目標(biāo)方法,通過N-引導(dǎo)烯醇化實現(xiàn)對烯烴的立體選擇性和支鏈選擇性加成。c和d部分展示了傳統(tǒng)的α-羰基化方法,需要預(yù)功能化反應(yīng)物;e部分則描述了現(xiàn)有的催化α-烷基化方法,但仍需要預(yù)形成的烯醇酸根或條件較苛刻。本文的方法依賴于甘氨酸基N-H單元作為導(dǎo)向基(I),通過銥催化的烯醇化將其轉(zhuǎn)化為幾何確定的同手性烯醇酸II。這一方法解決了合成β-取代的α-氨基酸的直接問題,提供了一種基于引導(dǎo)基的直接立體選擇性α-烷基化方法,同時為連續(xù)立體中心的合成提供了廣泛的交叉偶聯(lián)框架。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),收獲更多商業(yè)合作機(jī)會。

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圖1. 甘氨酸衍生物和烯烴的水烷基化偶聯(lián)的定向烯醇化策略,以合成具有挑戰(zhàn)性β-取代的α-氨基酸。
圖片來源:Nat. Chem.

作者為了尋找一種有效的反應(yīng)條件,以將酰胺基系統(tǒng)與苯乙烯進(jìn)行偶聯(lián),從而合成具有潛在生物活性的化合物。在圖2中,研究者探索了不同反應(yīng)條件下的反應(yīng)優(yōu)化和范圍研究結(jié)果。首先,作者以1a-1f和苯乙烯2a作為起始原料對反應(yīng)進(jìn)行了探索和優(yōu)化。得到的最佳條件為:1f (1.0 equiv), 2a (2.0 equiv), Ir(cod)2BARF (5 mol%), L5 (5 mol%), 在1,4-二氧六環(huán)(0.5 M)中130 oC反應(yīng)72小時,可以以93%的核磁產(chǎn)率,97.5:2.5 er,10:1 dr得到相應(yīng)的氫-烷基化產(chǎn)物3fa。此外,反應(yīng)溫度可以降至110 °C,仍然保持高效率。在反應(yīng)范圍方面,作者發(fā)現(xiàn),三級酰胺、二級酰胺、一級酰胺、酮均可順利實現(xiàn)此轉(zhuǎn)化,以54-85%的分離產(chǎn)率得到相應(yīng)的氫-烷基化產(chǎn)物3fa-3oa。此外,芳基上可以兼容包括羥基、甲氧基、甲基、鹵素、三氟甲基等一系列官能團(tuán),以55-89%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物3pa-3wa。烯烴中的R2可以兼容不同取代的芳基、雜芳基以及二茂鐵等骨架,以40-98%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物3fb-3os。該轉(zhuǎn)化還可以兼容藥物分子吲哚美辛(indomethacin)所衍生的烯烴2t,以63%的產(chǎn)率得到產(chǎn)物3ft,證明了此轉(zhuǎn)化的實用性。

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圖2. 烷基化過程的應(yīng)用。

圖片來源:Nat. Chem.

作者在圖3中進(jìn)行了對照實驗和機(jī)理研究,以解析酰胺基系統(tǒng)與苯乙烯之間的C-C鍵形成反應(yīng)的機(jī)理。首先,作者通過對照實驗確認(rèn)了C-C鍵形成需要Ir配合物、羰基單元和NHAr單元的存在。進(jìn)一步,在優(yōu)化條件下,將1f2a暴露于D2O存在的情況下,觀察到產(chǎn)物deuterio-3fa和起始物deuterio-1f的C2位置發(fā)生氘的插入,表明了烯醇化的可能性。此外,實驗結(jié)果顯示,反應(yīng)中N-甲基基團(tuán)也可能參與可逆的酰胺導(dǎo)向的C-H活化。接下來,作者對沒有Ir配合物存在的情況進(jìn)行了控制實驗,結(jié)果表明在此情況下C2處不發(fā)生氘的插入,強(qiáng)調(diào)了Ir的關(guān)鍵作用。最后,作者進(jìn)行了機(jī)理研究,提出了可能的反應(yīng)機(jī)制。首先,N-H金屬化產(chǎn)生I,然后通過路易斯酸作用觸發(fā)烯醇化生成II。在此階段,Ir中心可能會發(fā)生去質(zhì)子化,產(chǎn)生活性物種。碳金屬化然后通過π-配位激活烯烴,形成III。最終,IV經(jīng)過質(zhì)子去金屬化釋放產(chǎn)物??傊?,圖3揭示了酰胺基系統(tǒng)與苯乙烯之間的C-C鍵形成反應(yīng)的關(guān)鍵步驟和可能機(jī)理,為該反應(yīng)的深入理解和優(yōu)化提供了重要線索。

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圖3. 機(jī)理分析。

圖片來源:Nat. Chem.

總結(jié)

John F. Bower 教授團(tuán)隊提提出了一種新穎的方法,通過利用天然的導(dǎo)向官能團(tuán)實現(xiàn)對烯烴的手性選擇性C(sp3)-H加成,從而實現(xiàn)了對β-取代的α-氨基酸的高效合成。作者設(shè)計了一種以甘氨酸衍生物為導(dǎo)向基的催化方法,實現(xiàn)了對碳酰基化合物的直接烯醇化,從而在單一操作中建立了新的C-C鍵和兩個連續(xù)的立體中心。這一方法不僅為合成化學(xué)領(lǐng)域提供了一種新的合成策略,還為藥物設(shè)計和合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究提供了新的思路。通過這一研究,有助于進(jìn)一步理解有機(jī)反應(yīng)的機(jī)理,并開發(fā)出更加高效、環(huán)保的合成方法,為新藥物的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)提供重要的技術(shù)支持。 

文獻(xiàn)詳情:

Fenglin Hong, Timothy P. Aldhous, Paul D. Kemmitt, John F. Bower. A directed enolization strategy enables by-product-free construction of contiguous stereocentres en route to complex amino acids. Nat. Chem. 2024. https://doi.org/10.1038/s41557-024-01473-5

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