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Angew:張緒穆團隊環丙基官能團化三取代烯烴的選擇性氫甲酰化反應

來源:化學加原創      2022-06-28
導讀:近日,南方科技大學張緒穆團隊報道了銠催化環丙基官能團化三取代烯烴的高度化學、區域和對映選擇性氫甲酰化反應,從而合成了一系列含有環丙基取代的手性醛衍生物。其中,使用改良的Yanphos配體,命名為(R,S)-DTBM-Yanphos,可使反應具有出色的對映選擇性。此外,通過克級規模實驗(TON高達1,500)和產物后期的衍生化實驗,進一步證明了反應的實用性。機理研究表明,該發散性氫甲酰化反應可能涉及獨特的開環氫甲酰化過程。文章鏈接DOI:10.1002/anie.202206577

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

過渡金屬催化不對稱氫甲酰化(AHF)反應是一種清潔且100%原子經濟性構建手性醛分子的方法。迄今為止,化學家們已對單取代、1,2-和1,1-二取代烯烴的不對稱氫甲酰化反應,進行了大量的研究(Scheme 1a)。1993年,Takaya和Nozaki課題組報道了第一個具有里程碑意義的手性配體Binaphos,隨后也開發了一系列用于AHF反應的手性配體,如雙氮雜膦、Ph-BPE、Yanphos、Bobphos、Bettiphos、BenzP以及其他膦配體。然而,由于固有的低反應性以及難以實現對映選擇性的控制,從而導致三取代烯烴的AHF仍有待進一步的開發。同時,在三取代烯烴AHF反應中,除了專一性策略以外,反應均生成外消旋的醛化合物。因此,開發一種高效的三取代烯烴AHF反應有重要意義。

含有環丙基單元的手性碳廣泛存在于各類藥物和生物活性分子,如GRP40激動劑、色氨酸羥化酶(TPH)抑制劑、全身麻醉劑環泊酚和手性殺蟲劑(Scheme 1b)。然而,對于此類手性分子的構建通常采用低原子經濟性的手性拆分方法,從而導致一定的損失。近年來,化學家們也開發出了多種不對稱催化AHF策略,如協同光氧化還原和銅催化、不對稱還原、對映選擇性重排和1,4-加成反應等,但存在對映選擇性差和催化劑負載量高等弊端。

近日,南方科技大學張緒穆團隊報道了銠-二膦催化環丙基官能團化三取代烯烴的高度化學、區域和對映選擇性氫甲酰化反應,從而合成了一系列含有環丙基取代的手性醛衍生物(Scheme 1c)。其中,使用一種改良的新型Yanphos配體,具有廣泛的底物范圍以及優異的選擇性。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

首先,作者以簡單的三取代烯烴1a作為模型底物,進行了相關不對稱氫甲酰化反應條件的篩選(Table 1)。當以Rh(acac)(CO)2作為催化劑, (R,S)-DTBM-Yanphos作為配體,在CO/H2(5/5 bar)的氛圍中于甲苯溶劑中70 oC下反應20 h,可以83%的收率得到產物2a,ee為97%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

在獲得上述最佳反應條件后,作者對底物范圍進行了擴展(Scheme 3)。首先,當底物1中的芳基上含有不同電性的取代基時,均可順利反應,獲得相應的產物2a-2q,收率為40-86%,ee為85-97%。其中,由于空間位阻,導致芳基鄰位含有取代基的底物收率偏低,如2f2o。值得注意的是,對于含有吸電子基(2b2n)的底物,需更短的反應時間才能確保反應具有優異的對映選擇性和令人滿意的收率。因此,在工藝優化過程中應考慮醛產物的外消旋化問題,其中可使用流體化學來解決上述問題。其次,含有萘基和吲哚基取代的底物,也與體系兼容,獲得相應的產物2r-2t,收率為72-75%,ee為90-97%。含有噻吩基取代的底物,需在相對較低的反應溫度下才能獲得具有良好對映選擇性的產物2u。然而,環己基烷基化底物(1v)、環丁基和無環三取代烯烴(1w1x)以及環丙基官能化四取代烯烴(1y),未能順利進行反應。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

緊接著,作者對反應的實用性進行了研究(Scheme 4)。首先,1r的克級規模實驗,同樣能夠以79%收率和96%ee得到手性醛產物2r,且TON為1500。2r經還原與Ts保護后,可獲得高收率的手性磺酸酯6。其次,含有碘官能團的手性醛產物2e,經Wittig反應可生成α,β-不飽和手性環丙基化合物7,且對映選擇性不會損失。2e經還原,可生成手性醇8,收率為93%,ee為90%。2e經氧化,可生成手性羧酸9,收率為77%,ee為90%。此外,通過一鍋氫甲酰化/縮合/aza-Cope消除過程,可獲得手性氰化合物10,收率為82%,ee為81%。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

基于相關文獻的查閱,作者提出了一種合理的催化循環過程(Scheme 5)。首先,底物1aA配位生成中間體B,經選擇性插入生成中間體CEpath II,這是生成3a的競爭性途徑)。中間體C經氫甲酰化反應(path I),可生成手性醛產物2a,并再生催化劑A。同時,在path III中存在競爭性的副反應,即中間體C經開環氫甲酰化反應,生成開環氫甲酰化醛化合物4a。其中,中間體F還可能進行β-H消除,生成trans-5cis-5(可在催化條件下相互轉化)。trans-51,2-插入過程,生成化合物4bcis-51,4-插入與異構化過程,生成化合物(Z/E)-4d。因此,trans-5cis-5之間很可能發生快速的異構化過程。

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(圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

總結:南方科技大學張緒穆團隊報道了銠催化環丙基官能團化三取代烯烴的高度化學、區域和對映選擇性氫甲酰化反應,從而合成了一系列含有環丙基取代的手性醛衍生物。其中,使用改良的Yanphos配體,命名為(R,S)-DTBM-Yanphos,可使反應具有出色的對映選擇性。此外,通過克級規模實驗和產物后期的衍生化實驗,進一步證明了反應的實用性。機理研究表明,該發散性氫甲酰化反應可能涉及獨特的開環氫甲酰化過程。

Li, S., Zhang, D., Zhang, R., Bai, S. and Zhang, X. (2022), Chemo-, Regio- and Enantioselective Hydroformylation of Cyclopropyl-Functionalized Trisubstituted Alkenes. Angew. Chem. Int. Ed..  https://doi.org/10.1002/anie.202206577

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