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Nat. Catal.:鈀催化“芳酰基硅”與“亞胺”的環(huán)加成反應(yīng),構(gòu)建β-內(nèi)酰胺

來源:化學加原創(chuàng)   SixMol   2024-01-17
導(dǎo)讀:近日,日本大阪大學(Osaka University)Mamoru Tobisu課題組發(fā)展了在鈀催化下,利用芳?;枳鳛镕ischer-卡賓絡(luò)合物前體的反應(yīng)體系。該體系可用于與亞胺的催化羰基化環(huán)加成反應(yīng),實現(xiàn)了一系列密集取代β-內(nèi)酰胺衍生物的合成。此外,作者成功分離出了反應(yīng)中所涉及的關(guān)鍵硅氧卡賓-鈀中間絡(luò)合物,并用X-射線單晶衍射成功對其進行了表征。相關(guān)成果發(fā)表在Nat. Catal.上,文章鏈接DOI:10.1038/s41929-023-01081-5。

自1964年首次報道以來,F(xiàn)ischer-卡賓絡(luò)合物(FCs)已成為有機合成中的重要試劑,廣泛應(yīng)用于環(huán)加成反應(yīng)以及親電試劑和親核試劑的卡賓轉(zhuǎn)移加成反應(yīng)中。雖然FCs可實現(xiàn)獨特的轉(zhuǎn)化,但它們在催化反應(yīng)中的應(yīng)用遠遠落后于連有吸電子基團的卡賓物種。這主要是因為普通重氮化合物由于其相應(yīng)的雜原子取代衍生物的不穩(wěn)定性因而不能用作反應(yīng)前體。因此,F(xiàn)Cs通常是通過在金屬-羰基絡(luò)合物(M-CO)中加入有機鋰(RLi)試劑,隨后用烷基鹵化物(R’X)捕獲來獲得的(Fig. 1a)。到目前為止,化學家們已經(jīng)報道了一些涉及FCs的催化反應(yīng),包括雜原子親核試劑與亞乙烯基絡(luò)合物的加成,用鏈接的親核試劑取代帶有碘鎓離去基團的Rh(II)卡賓,以及用Cu(I)催化劑捕獲通過光化學生成的硅氧卡賓等。然而,這些FCs催化策略的范圍仍然有限,且絕大多數(shù)由FCs介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化需要使用化學計量的金屬試劑。在這些有待實現(xiàn)催化轉(zhuǎn)化的反應(yīng)中,包含鉻FC-介導(dǎo)β-內(nèi)酰胺衍生物的合成。其首先通過光誘導(dǎo)烷氧卡賓配體的羰基化形成烯酮,隨后與亞胺進行[2 + 2]環(huán)加成反應(yīng)(Fig. 1b)。最近,日本大阪大學Mamoru Tobisu課題組在鈀催化下,利用芳?;枳鳛镕ischer-卡賓前體,通過與亞胺的催化羰基化環(huán)加成反應(yīng),實現(xiàn)了一系列生物活性分子中廣泛存在的多取代β-內(nèi)酰胺衍生物的合成(Fig. 1c)(Fig. 1d)。    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:Nat. Catal.

首先,作者選擇芳?;?/span>1a和亞胺2a作為模板底物,對反應(yīng)條件進行了篩選(Table 1),當使用1a (0.60 mmol), 2a (0.20 mmol), Pd2(dba)3 (0.010 mmol), IPr* (1,3-bis(2,6-diisopropylphenyl)imidazol-2-ylidene,1,3-雙(2,6-二異丙基苯基)咪唑-2-亞基,0.020 mmol),在甲苯 (0.60 ml) 中,封管體系110 °C 反應(yīng)17 h可以以70%的分離產(chǎn)率得到β-內(nèi)酰胺產(chǎn)物3aa(6.4:1)。    

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(圖片來源:Nat. Catal.

在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后,作者對此轉(zhuǎn)化的底物范圍進行了探索(Fig. 2)。實驗結(jié)果表明,不同取代的亞胺和芳?;杈梢粤己玫膶崿F(xiàn)此轉(zhuǎn)化,以53-94%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物3aa-3am, 3bg-3ha。其中甲氧基、三氟甲基、芳基、芐基、氨基、氟、酯基、氰基等一系列官能團均可良好兼容。值得注意的是,此β-內(nèi)酰胺合成策略還可應(yīng)用于抗生素骨架的合成。例如,芳?;?/span>1a可以與環(huán)亞胺2n反應(yīng),以94%的產(chǎn)率得到雙環(huán)β-內(nèi)酰胺產(chǎn)物3an(6.5:1),其具有與噻烯霉素(thienamycin)相類似的分子骨架。此外,通過此轉(zhuǎn)化所得到的產(chǎn)物中的硅基可以使用四丁基氟化銨去除,形成相應(yīng)的α-羥基-β-內(nèi)酰胺衍生物。

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(圖片來源:Nat. Catal.

為了深入理解反應(yīng)機理,作者進行了一系列控制試驗(Fig. 3)。在標準條件下1a與二乙胺反應(yīng)可以以97%的產(chǎn)率得到酰胺產(chǎn)物5。這一結(jié)果驗證了硅氧烯酮中間體在反應(yīng)中的作用,它可以被二乙胺捕獲形成5(Fig. 3a)。隨后,作者利用13C標記的芳?;柰?/span>1a-13C與亞胺2g反應(yīng)可以以70%的產(chǎn)率得到β-內(nèi)酰胺產(chǎn)物3ag-13C,其中C1和C2均被標記,這與作者所設(shè)想的反應(yīng)機理一致,即芳酰基硅同時作為反應(yīng)的卡賓源和CO源(Fig. 3b)。接下來,作者使用Pd(CH2SiMe3)2(cod)、IPr**(1.0 equiv)和芳?;?/span>1i反應(yīng),成功地分離出了一個關(guān)鍵的硅氧卡賓-鈀中間體絡(luò)合物6,并通過X-射線單晶衍射確定了6的結(jié)構(gòu)。值得注意的是,絡(luò)合物6應(yīng)該是一個廣受歡迎的帶有烷氧卡賓配體的鈀絡(luò)合物(Fig. 3c)。    

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(圖片來源:Nat. Catal.

最后,作者基于1a與Pd-IPr絡(luò)合物的模板反應(yīng)進行了DFT計算,并提出了此轉(zhuǎn)化可能的反應(yīng)機理(Fig. 4):首先,1a中的C(?;?-Si鍵與Pd-IPr絡(luò)合物通過過渡態(tài)TS1發(fā)生氧化加成,形成絡(luò)合物INT2,其能壘相對較低(8.5 kcal mol?1)。隨后,INT2通過四中心過渡態(tài)TS2,以可行的活化勢壘(24.1 kcal mol?1)遷移到?;潴w的氧原子上,從而形成卡賓絡(luò)合物INT3。接下來,通過鈀催化1a的脫羰反應(yīng)產(chǎn)生的CO的配位作用,使INT3(5.2 kcal mol?1穩(wěn)定,并形成INT4。INT4隨后通過TS3的插羰 (17.2 kcal mol?1),生成Pd-烯酮絡(luò)合物INT5,并經(jīng)歷隨后的[2+2]環(huán)加成得到產(chǎn)物。    

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(圖片來源:Nat. Catal.

總結(jié)


Mamoru Tobisu課題組報道了鈀催化芳酰基硅和亞胺的羰基化環(huán)加成反應(yīng),實現(xiàn)了一系列多官能團化β-內(nèi)酰胺衍生物的合成。此催化方法可以避免化學計量的Cr-Fischer-卡賓的使用。該反應(yīng)機理是在Pd/NHC催化劑下,由芳?;枭蒄ischer類型的卡賓絡(luò)合物,并得到了實驗和理論計算的驗證。此外,形成烯酮所需的外部一氧化碳添加并不是必須的,因為其可以在芳?;璧拿擊蔬^程中產(chǎn)生,這也是在相同的反應(yīng)容器中由相同的催化劑催化形成的。此操作簡單的催化策略可以從簡單易得的合成砌塊快速構(gòu)建復(fù)雜的β-內(nèi)酰胺骨架,具有重要意義。

文獻詳情:

Tetsuya Inagaki, Takuya Kodama, Mamoru Tobisu*. Catalytic synthesis of β-lactam derivatives by carbonylative cycloaddition of acylsilanes with imines via a palladium Fischer-carbene intermediate, Nat. Catal.2024, https://doi.org/10.1038/s41929-023-01081-5.


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