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Nat. Chem.:環(huán)烷基砜的對映特異性交叉偶聯(lián)反應

來源:化學加原創(chuàng)      2024-08-12
導讀:近日,加拿大皇后大學(Queen’s University)Cathleen M. Crudden課題組與日本名古屋大學(Nagoya University)Masakazu Nambo課題組聯(lián)合發(fā)展了鎳催化α-芳基環(huán)砜與格氏試劑的對映特異性交叉偶聯(lián)反應,實現(xiàn)了對映體富集開環(huán)芳基化。盡管格氏試劑的堿性很強,但作者仍可以觀察到高達99%的手性轉(zhuǎn)移。原位監(jiān)測實驗表明,交叉偶聯(lián)與去質(zhì)子化在動力學上是競爭的,因此可以實現(xiàn)高對映選擇性轉(zhuǎn)化。此結(jié)果是對現(xiàn)有文獻的重要補充,因為其展示了砜的對映特異性交叉偶聯(lián)以及當交叉偶聯(lián)反應以足夠快的速度發(fā)生時通過去質(zhì)子化來規(guī)避消旋化過程的能力。相關成果發(fā)表在Nat. Chem.上,文章鏈接DOI:10.1038/s41557-024-01594-x。

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(圖片來源:Nat. Chem.

正文

發(fā)展可以有效控制立體化學的碳-碳鍵形成方法對構(gòu)建復雜分子至關重要。而交叉偶聯(lián)反應是構(gòu)建分子最有效和最廣泛使用的反應之一,這些反應可以保持手性或引入手性,是合成工具箱中的強大的“工具”。砜是一種簡單易得的有機親電試劑,其具有許多作為交叉偶聯(lián)反應中偶聯(lián)配偶體的特征。然而,自1979年化學家首次使用它們以來,還沒有在對映選擇性、對映特異性或?qū)τ呈諗康慕徊媾悸?lián)中使用它們的例子。近日,加拿大皇后大學(Queen’s UniversityCathleen M. Crudden課題組與日本名古屋大學(Nagoya UniversityMasakazu Nambo課題組成功實現(xiàn)了環(huán)砜與格氏試劑的對映特異性交叉偶聯(lián)反應(Fig. 1)。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:Nat. Chem.

首先,作者以連有萘基取代的砜rac-1a作為模板底物對反應進行探索Table 1)。通過一系列條件篩選,作者發(fā)現(xiàn)當使用rac-1a (0.1?mmol), PhMgBr (2) (2.5 equiv.), [NiBr2(DMPMA)]2 (5?mol%), THF (0.3?M)75?°C反應16?h, 隨后加入 MeI (10 equiv.),在DMSO (0.2?M)85 °C反應4?h,可以以83%的分離產(chǎn)率得到產(chǎn)物3aaentry 9)??刂茖嶒灡砻?,在沒有鎳催化劑和配體存在下反應是不發(fā)生的entry 10, 11)。

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(圖片來源:Nat. Chem.

在得到了最優(yōu)反應條件后,作者對此轉(zhuǎn)化的底物兼容性進行了考察(Table 2)。實驗結(jié)果表明一系列不同取代的芳基格氏試劑(Table 2左邊)和砜(Table 2右邊)均具有良好的兼容性,以16-83%的產(chǎn)率得到相應的產(chǎn)物3aa-3ha。此外,作者還對不同環(huán)尺寸的砜進行了考察,發(fā)現(xiàn)四元環(huán)(1i)和六元環(huán)砜(1j)同樣是有效的偶聯(lián)配偶體,但產(chǎn)率相對較低(3ia, 34%; 3ja, 32%)。有趣的是,四倍過量的格氏試劑的使用對六元環(huán)砜的開環(huán)是最有效的,這需要抑制β-消除。此現(xiàn)象表明亞磺酸鹽在開環(huán)后仍與金屬結(jié)合,并影響交叉偶聯(lián)的傾向,而不是β-消除。

接下來作者探討了亞磺酸鹽捕獲試劑的兼容性(Table 2底部)。首先,作者以1 g規(guī)模成功制備了萘類似物5aa,產(chǎn)率86%。這些反應在一鍋中進行,不需要分離或純化中間體。亞磺酸鹽的分離是極其重要的,因為它可以與各種親電試劑反應,來制備取代的砜和磺酰胺。隨后,作者考察了交叉偶聯(lián)產(chǎn)物與其它親電試劑的反應,包括與烷基溴和烯丙基溴的直接反應,分別以73%67%的產(chǎn)率得到二烷基砜產(chǎn)物6aa7aa。在缺電子溴吡啶上的SNAr反應也受到影響,以中等產(chǎn)率(32%)得到雜芳基砜8aa。與SO2Cl2反應可原位生成磺酰氯衍生物,且與嗎啡啉反應時,可以47%的產(chǎn)率得到磺酰胺9aa

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(圖片來源:Nat. Chem.

在證明了開環(huán)交叉偶聯(lián)反應的有效性后,作者接下來將目光轉(zhuǎn)向其對映體富集類似物。作者采用Corey-Bakshi-Shibata還原法得到二醇11,并進行了甲磺?;?/span>Na2S處理,隨后通過氧化得到對映體富集的砜(S)-1a,且產(chǎn)物結(jié)構(gòu)得到了單晶X-射線衍射分析的確證Fig. 2a。實驗結(jié)果表明,對映體富集的底物(S)-1a2a的開環(huán)芳基化可以以≥99%的對映體特異性進行。

為了確定產(chǎn)物的絕對構(gòu)型,作者制備了(R)-3aaFig. 2b)。通過與鎳催化的交叉偶聯(lián)反應所制備的(R)-3aa比較,作者得出鎳催化體系將(S)-1a轉(zhuǎn)化為(S)-3aa是構(gòu)型反轉(zhuǎn)的。這一觀察結(jié)果與其它交叉偶聯(lián)反應的文獻報道相一致。不同的有機鎂試劑(2b2f-2h)也同樣具有良好的對映體特異性,并且在使用1a(R)(S)對映體的實驗中獲得了類似的結(jié)果(Fig. 2c)。對映體富集的二取代環(huán)砜14也可成功實現(xiàn)轉(zhuǎn)化,得到相應的產(chǎn)物ent-15,且具有良好的對映特異性和非對映特異性。

接下來,作者通過1H NMR和手性超臨界流體色譜(SFC)分析,探索了反應速率以及原料和產(chǎn)物的對映純度隨時間的變化(Fig. 2d,e)。由于在75 oC時反應速度太快而無法監(jiān)測,因此作者將反應溫度降至30 oC。在此條件下,在反應的前5分鐘內(nèi),(S)-3aa的轉(zhuǎn)化率達到(S)-1a消耗的90%以上,立體化學保留率 > 99%Fig. 2d)。底物(R)-3ag需要> 45分鐘才能達到類似的階段,其對映體特異性較低(79%; Fig. 2e)

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(圖片來源:Nat. Chem.

基于上述觀察結(jié)果,作者提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應機理Fig. 3a:催化循環(huán)由鎳預催化劑[NiBr2(DMPMA)]2與兩當量的格氏試劑引發(fā),在消除相應的自偶聯(lián)(聯(lián)芳基)產(chǎn)物后,得到具有催化活性的Ni0(DMPMA)物種。接下來,α-萘基取代的環(huán)(S)-1a在擴展的π-芳香體系的促進下,在最活潑的C(sp3)-SO2鍵上進行氧化加成。反應的立體特異性可能是由氧化加成的性質(zhì)控制的,因為轉(zhuǎn)金屬化和還原消除通常伴隨著構(gòu)型的保持。

一種潛在的氧化加成反應機理涉及親核鎳絡合物與砜通過直接的SN2反應而不涉及π-系。基于此轉(zhuǎn)化嚴格依賴于底物中π擴展芳烴的存在,并考慮到所采用的底物的位阻,這種機理被認為是不可能的。

相反,催化劑很可能與底物絡合,然后發(fā)生順式或反式的氧化加成,生成π-萘基鎳物種。這兩種可能性在文獻中均有報道。在期望的反應途徑中,氧化加成(I/II)的產(chǎn)物隨后與格氏試劑發(fā)生反應,預計這將在立體化學保留的情況下發(fā)生,并再生活性Ni0物種。最后,IVMeI反應生成芳基化產(chǎn)物(S)-3aa?;蛘撸虚g體I/II可以在甲基化后進行β-消除得到4a。

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(圖片來源:Nat. Chem.


總結(jié)

Cathleen M. Crudden課題組與Masakazu Nambo課題組以芳基格氏試劑為親核試劑,發(fā)展了鎳催化α-芳基環(huán)砜的對映體富集開環(huán)芳基化反應。重要的是環(huán)砜可以將磺?;A粼诋a(chǎn)物中,因為砜和磺酰胺骨架是普遍存在的官能團。根據(jù)格氏試劑的性質(zhì),此交叉偶聯(lián)反應可以以高達99%的對映體特異性實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。此外,作者探討了相對于去質(zhì)子化來說,交叉偶聯(lián)反應速度的重要性。

文獻詳情:

Enantiospecific cross-coupling of cyclic alkyl sulfones. 
Roberto Nolla-Saltiel, Zachary T. Ariki, Stefanie Schiele, Jana Alpin, Yasuyo Tahara, Daisuke Yokogawa, Masakazu Nambo,* Cathleen M. Crudden*.
NatChem., 2024
https://doi.org/10.1038/s41557-024-01594-x.

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