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Nat. Chem.:連續(xù)流+臭氧化,烯烴順式雙羥化高效又環(huán)保

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2023-06-26
導(dǎo)讀:臭氧廣泛應(yīng)用于烯烴的氧化過程中。然而,目前所發(fā)展的臭氧對烯烴的氧化屬于破壞性氧化,即烯烴的C=C會發(fā)生斷裂。因此,探索臭氧對烯烴的非破壞性氧化具有重要意義。近日,美國德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)Andy A. Thomas課題組報(bào)道了利用POZs (primary ozonide)作為有用的合成中間體,安全、綠色的實(shí)現(xiàn)了烯烴的順式雙羥基化反應(yīng)。此外,作者證實(shí)了此方法在使用連續(xù)流反應(yīng)器(continuous flow reactor)時可以消除過氧化物的積累并可以應(yīng)用到藥學(xué)相關(guān)小分子guaifenesin、ponesimod前體的合成中。相關(guān)成果發(fā)表在Nat. Chem.上,文章鏈接DOI:10.1038/s41557-023-01247-5。

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(圖片來源:Nat. Chem.

正文

眾所周知,臭氧(O3)可以吸收平流層中的有害紫外線,是人類目前已知最強(qiáng)的氧化劑之一。目前,O3已在工業(yè)中得到了廣泛的使用,包括合成活性藥物以及作為消毒劑和除臭劑來使用。在有機(jī)化學(xué)中,O3主要應(yīng)用于臭氧分解反應(yīng),其可以有效的將石油原料中的烯烴轉(zhuǎn)化為生物相關(guān)的羰基化合物及其前體(Fig. 1a)。由Schreiber等人發(fā)展的在C-C鍵裂解后使用添加劑的策略擴(kuò)展了臭氧分解反應(yīng)的應(yīng)用范圍,可以高效實(shí)現(xiàn)縮醛、酯類等化合物的合成(Fig. 1b)。雖然烯烴中的C-C鍵斷裂是臭氧分解中較為常見的反應(yīng)過程,且已得到了證實(shí)。但通過化學(xué)鍵的構(gòu)建來提高分子的復(fù)雜性是現(xiàn)代合成的目標(biāo)。在此背景下,利用O3作為反應(yīng)試劑,在實(shí)現(xiàn)烯烴中的每個碳氧化而不發(fā)生C-C斷裂的反應(yīng)過程則更有意義,因?yàn)樗鼉H使用臭氧和電即可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的氧化過程(Fig. 1c)。而烯烴在經(jīng)歷臭氧化后得到的POZ中間體,則為探索在不發(fā)生C-C裂解的條件下實(shí)現(xiàn)C-O鍵的形成提供了可能性。最近,美國德州農(nóng)工大學(xué)Andy A. Thomas發(fā)展了安全、綠色的烯烴順式雙羥基化反應(yīng),其使用烯烴與O3形成的POZ中間體被親核試劑捕獲從而得到雙羥化產(chǎn)物。此外,作者證實(shí)了此方法在使用連續(xù)流反應(yīng)器時可以消除過氧化物的積累并可以應(yīng)用到藥學(xué)相關(guān)小分子的合成中(Fig. 1d)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。

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(圖片來源:Nat. Chem.

作者首先對POZs中間體的反應(yīng)活性進(jìn)行了探索(Fig. 2)。作者分別利用反式烯烴(反-4-辛烯)、端烯(1-辛烯)以及順式烯烴(順-4-辛烯)在CF2Cl2中,低溫下的臭氧化得到了POZs 1-3,并利用低溫核磁(-130 oC)對其進(jìn)行監(jiān)測(Fig. 2a)。此外,作者將溫度升至-80 oC對POZs 1-3的以及動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行考察,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出POZs在合成有用溫度下的壽命是有限的(Fig. 2b)。

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(圖片來源:Nat. Chem.

在對POZs的熱穩(wěn)定性有了更好的了解后,作者對它們的化學(xué)反應(yīng)性進(jìn)行了考察(Table 1)。作者設(shè)想POZs是否會在C-C裂解前被親核試劑在O-O鍵處捕獲。當(dāng)使用烯烴 (0.50 mmol, 1.0 equiv.) 溶解在乙醚(5 ml) 中 ,冷卻至-116 °C 與O3反應(yīng),隨后加入i-PrMgBr(2.50 mmol, 5.0 equiv.),并用水淬滅可以以中等至良好的產(chǎn)率(31-83%)得到相應(yīng)的雙羥化產(chǎn)物。此轉(zhuǎn)化對反式烯烴(3-6)、順式烯烴(7-11)以及端烯(12-16)均可兼容。值得注意的是,對于藥物相關(guān)的乙二醇類化合物,如祛痰藥愈創(chuàng)甘油醚(Guaifenesin) 1和治療多發(fā)性硬化癥藥物Ponesimod前體2均可利用此策略實(shí)現(xiàn)合成,產(chǎn)率分別為65%和63%。

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(圖片來源:Nat. Chem.

雖然臭氧分解廣泛適用于醛、酮、酯、縮醛和乙二醇的合成,但除非該反應(yīng)能夠在流動化學(xué)中實(shí)現(xiàn),否則實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模合成是較為困難的。流動化學(xué)通常是在高溫下來實(shí)現(xiàn)活性中間體的轉(zhuǎn)化,因此作者設(shè)想是否可以通過設(shè)計(jì)一個連續(xù)流反應(yīng)器在-78 oC來捕獲的POZs,從而有效的消除過氧化物的積累。此外,通過精確控制溶液的停留時間則還可以避免在連續(xù)流動中形成過氧化物。作者首先制備了O3的乙醚溶液,以便控制O3劑量。這樣可以在均相溶液中形成POZs,隨后被i-PrMgBr捕獲(Fig. 3a)。隨后,作者選擇Guaifenesin 1作為模板化合物進(jìn)行嘗試?;谏鲜鰴C(jī)理分析,作者對流動反應(yīng)器的反應(yīng)條件通過少量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了快速優(yōu)化,在1.54 g h?1下以65%的產(chǎn)率得到了Guaifenesin 1。此外,在1.7 g h?1下可以以51%的產(chǎn)率得到2(Fig. 3b)。值得注意的是,順式環(huán)辛烯可以利用作者發(fā)展的流動化學(xué)策略以63%的產(chǎn)率得到9(1.3 g h?1)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明POZs可以作為有效的合成前體來實(shí)現(xiàn)C-O鍵的構(gòu)建。

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(圖片來源:Nat. Chem.

總結(jié)

美國德州農(nóng)工大學(xué)Andy A. Thomas課題組報(bào)道了利用高活性的POZs作為中間體,安全、綠色的實(shí)現(xiàn)了烯烴的順式雙羥基化反應(yīng)。雖然O3和格氏試劑在合成中均被認(rèn)為是苛刻的反應(yīng)試劑,但在此體系中連有不同親核性以及親電性官能團(tuán)的烯烴底物均可兼容,證明了此轉(zhuǎn)化的實(shí)用性。更重要的是,作者利用此方法在連續(xù)流反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了一系列藥學(xué)相關(guān)小分子的合成,從而可以有效消除過氧化物的積累。

文獻(xiàn)詳情:

Danniel K. Arriaga, Andy A. Thomas*. Capturing primary ozonides for a syn-dihydroxylation of olefins. Nat. Chem., 2023 https://doi.org/10.1038/s41557-023-01247-5.


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