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Nat. Chem.:環烷基砜的對映特異性交叉偶聯反應

來源:化學加原創      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課題組聯合發展了鎳催化α-芳基環砜與格氏試劑的對映特異性交叉偶聯反應,實現了對映體富集開環芳基化。盡管格氏試劑的堿性很強,但作者仍可以觀察到高達99%的手性轉移。原位監測實驗表明,交叉偶聯與去質子化在動力學上是競爭的,因此可以實現高對映選擇性轉化。此結果是對現有文獻的重要補充,因為其展示了砜的對映特異性交叉偶聯以及當交叉偶聯反應以足夠快的速度發生時通過去質子化來規避消旋化過程的能力。相關成果發表在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

發展可以有效控制立體化學的碳-碳鍵形成方法對構建復雜分子至關重要。而交叉偶聯反應是構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反應中偶聯配偶體的特征。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、對映特異性或對映收斂的交叉偶聯中使用它們的例子。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課題組成功實現了環砜與格氏試劑的對映特異性交叉偶聯反應(Fig. 1)。化學加——科學家創業合伙人,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,作者發現當使用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%的分離產率得到產物3aaentry 9)。控制實驗表明,在沒有鎳催化劑和配體存在下反應是不發生的entry 10, 11)。

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(圖片來源:Nat. Chem.

在得到了最優反應條件后,作者對此轉化的底物兼容性進行了考察(Table 2)。實驗結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%的產率得到相應的產物3aa-3ha。此外,作者還對不同環尺寸的砜進行了考察,發現四元環(1i)和六元環砜(1j)同樣是有效的偶聯配偶體,但產率相對較低(3ia, 34%; 3ja, 32%)。有趣的是,四倍過量的格氏試劑的使用對六元環砜的開環是最有效的,這需要抑制β-消除。此現象表明亞磺酸鹽在開環后仍與金屬結合,并影響交叉偶聯的傾向,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規模成功制備了萘類似物5aa,產率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產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%的產率得到二烷基砜產物6aa7aa。在缺電子溴吡啶上的SNAr反應也受到影響,以中等產率(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%的產率得到磺酰胺9aa

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(圖片來源:Nat. Chem.

在證明了開環交叉偶聯反應的有效性后,作者接下來將目光轉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,并進行了甲磺酰化和Na2S處理,隨后通過氧化得到對映體富集的砜(S)-1a,且產物結構得到了單晶X-射線衍射分析的確證Fig. 2a。實驗結果表明,對映體富集的底物(S)-1a2a的開環芳基化可以以≥99%的對映體特異性進行。

為了確定產物的絕對構型,作者制備了(R)-3aaFig. 2b)。通過與鎳催化的交叉偶聯反應所制備的(R)-3aa比較,作者得出鎳催化體系將(S)-1a轉化為(S)-3aa是構型反轉的。這一觀察結果與其它交叉偶聯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果(Fig. 2c)。對映體富集的二取代環砜14也可成功實現轉化,得到相應的產物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,(S)-3aa的轉化率達到(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.

基于上述觀察結果,作者提出了此轉化可能的反應機理Fig. 3a:催化循環由鎳預催化劑[NiBr2(DMPMA)]2與兩當量的格氏試劑引發,在消除相應的自偶聯(聯芳基)產物后,得到具有催化活性的Ni0(DMPMA)物種。接下來,α-萘基取代的環(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控制的,因為轉金屬化和還原消除通常伴隨著構型的保持。

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)的產物隨后與格氏試劑發生反應,預計這將在立體化學保留的情況下發生,并再生活性Ni0物種。最后,IVMeI反應生成芳基化產物(S)-3aa。或者,中間體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

Cathleen M. Crudden課題組與Masakazu Nambo課題組以芳基格氏試劑為親核試劑,發展了鎳催化α-芳基環砜的對映體富集開環芳基化反應。重要的是環砜可以將磺酰基保留在產物中,因為砜和磺酰胺骨架是普遍存在的官能團。根據格氏試劑的性質,此交叉偶聯反應可以以高達99%的對映體特異性實現轉化。此外,作者探討了相對于去質子化來說,交叉偶聯反應速度的重要性。

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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