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諾獎得主最新Science:“馴服”二級芐基碳正離子,實現(xiàn)不對稱SN1反應

來源:化學加原創(chuàng)      2023-10-25
導讀:近日,2021諾貝爾化學獎得主,德國馬克斯-普朗克研究所(Max-Planck-Institut für Kohlenforschung) Benjamin List課題組利用具有高酸性和受限空間結構的手性催化劑IDPi(imidodiphosphorimidate,亞氨基二磷酸亞胺酯),發(fā)展了不對稱SN1取代反應,構建了具有重要應用價值的芐位立體中心產(chǎn)物。反應中通過手性抗衡陰離子與二級芐位碳正離子配對并參與催化,以良好的對映選擇性實現(xiàn)了C-C, C-O和C-N鍵的不對稱構建。重要的碳正離子中間體可以利用不同的前體通過Lewis-或Br?nsted酸催化來獲得。實現(xiàn)此策略的關鍵是弱堿性的、受限的抗衡陰離子的使用,其可以延長碳正離子的壽命,從而避免通過去質(zhì)子化途徑生成相應的苯乙烯副產(chǎn)物。相關成果發(fā)表在Science上,文章鏈接DOI: 10.1126/science.adj7007。

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(圖片來源:Science

正文

芐位立體中心在天然產(chǎn)物和藥物中普遍存在。化學家們已經(jīng)發(fā)展出了一系列方法來實現(xiàn)芐位C-C或C-雜原子鍵的不對稱構建。目前已知的方法包括使用手性助劑、金屬催化劑、有機催化劑和酶等策略。然而,盡管利用上述策略可以作為一種通用的方法來構建芐基立體中心,但親核試劑與芐基正離子的催化對映選擇反應仍然有待發(fā)展。在過去十年中,盡管這一策略曾被化學家嘗試且已被報道,但其通常會涉及氧化芳烴,其會穩(wěn)定相應的芐基碳正離子為鄰醌或?qū)︴募谆?,因此限制了這些方法的應用范圍。最近,德國馬克斯-普朗克研究所Benjamin List課題組基于課題組前期所發(fā)展的具有高酸性和類酶受限空間結構的手性催化劑IDPi,實現(xiàn)了將外消旋化的起始原料轉化為具有重要應用價值的對映體富集的芐位立構中心產(chǎn)物(Fig. 1)。下載化學加APP到你手機,更加方便,更多收獲。

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(圖片來源:Science

首先,作者選用rac-1-苯乙基-2,2,2-三氯乙酰亞胺酯1a作為碳正離子前體與親核試劑乙酸作為模板底物,對芐位C-O鍵的構建反應進行探索(Fig. 2A)。通過一系列IDPi催化劑以及反應參數(shù)的篩選,作者發(fā)現(xiàn)當使用2a作為催化劑,在Et2O中,-90 oC反應5天可以以73%的產(chǎn)率得到目標產(chǎn)物3a(95:5 er)。在得到了最優(yōu)反應條件后,作者對此轉化的底物范圍進行了考察。實驗結果表明此體系對一系列取代的三氯乙酰亞胺酯具有良好的兼容性,以53-78%的產(chǎn)率,93.5:6.5-94.5:5.5的er得到相應的產(chǎn)物3b-3d。其中,具有間位或?qū)ξ蝗〈牡孜锓磻宰罴?。此外,當以丙酸為親核試劑時,IDPi催化劑2b展現(xiàn)出優(yōu)異的性能,以78-85%的產(chǎn)率,93.5:6.5-96:4的er得到相應的產(chǎn)物3e-3h。當作者在體系中使用氮親核試劑時,且使用基于BINOL骨架的F8-取代IDPi催化劑2c,可以以57%-75%的產(chǎn)率,92.5:7.5-96:4的er得到相應的產(chǎn)物4b-4e(Fig. 2B)。

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(圖片來源:Science

在成功實現(xiàn)了Br?nsted酸催化的不對稱C-O和C-N鍵形成SN1反應后,作者進一步探索了利用類似方法實現(xiàn)C-C鍵構建的可能性(Fig. 3)。當作者使用1-苯乙基醋酸酯5a時,在IDPi催化劑2e的催化下與碳親核試劑烯醇硅醚2e反應可以以85%的產(chǎn)率,92.5:7.5的er值得到相應的產(chǎn)物6a。此外,作者對不同取代的1-苯乙基醋酸酯兼容性進行了考察,同樣以良好的產(chǎn)率(84-96%)和對映選擇性得到相應的產(chǎn)物6b-6h(Fig. 3A)。值得注意的是,作者還對其它碳親核試劑的兼容性進行了考察(Fig. 3B)。當時用IDPi催化劑2g時,還可以與芳烴實現(xiàn)涉及芐基碳正離子的不對稱Friedel-Crafts烷基化反應,以52-65%的產(chǎn)率,96:4-98:2的er得到相應的產(chǎn)物7a-7d(> 50:1 rr)。

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(圖片來源:Science

為了深入理解芐基正離子SN1反應機理,作者進行了實驗和計算研究(Fig. 4A)。首先,作者分別利用消旋的底物rac-1a和光學純的底物(R)-1a與(S)-1a在最優(yōu)條件下反應時,所得到的產(chǎn)物3a的主要對映體相同,且產(chǎn)率基本相同。這與作者設想的離子對形成后,通過親核試劑進攻芐位碳正離子機理(SN1)相一致(Fig. 4B)。有趣的是,當作者使用1H NMR在-60°C下分別監(jiān)測每種底物[rac-1a,(S)-1a和(R)-1a]的C-O成鍵反應時,發(fā)現(xiàn)兩種對映體的反應速率相似,幾乎沒有動力學上的差異(Fig. 4C)。接下來,作者分別通過1H NMR、13C NMR和HSQC來觀察離子對的形成,并通過核磁波譜清楚地表明不同的抗衡陰離子與碳正離子非常接近(Fig. 4D-4F)。最后,作者通過DFT計算展示了一系列催化劑與碳正離子的相互作用在形成主要對映體的過渡態(tài)過程中發(fā)揮著至關重要的作用(Fig. 4G-4I)。

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(圖片來源:Science

總結

Benjamin List課題組使用手性催化劑亞氨基二磷酸亞胺酯IDPi成功發(fā)展了不對稱SN1取代反應,構建了芐位立體中心產(chǎn)物。其中底物通過Lewis-Br?nsted酸催化來產(chǎn)生芐位碳正離子,且反應中通過手性抗衡陰離子與二級芐位碳正離子配對,以良好的對映選擇性實現(xiàn)了C-C, C-OC-N鍵的不對稱構建。鑒于碳正離子在化學合成中的重要性,此反應的發(fā)展將對其它有機轉化產(chǎn)生深遠的影響。 

文獻詳情:

Vikas Kumar Singh, Chendan Zhu, Chandra Kanta De, Markus Leutzsch, Lorenzo Baldinelli, Raja Mitra, Giovanni Bistoni, Benjamin List*. Taming secondary benzylic cations in catalytic asymmetric SN1 reactions. Science, 2023, 382, 325-329. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7007.

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