Angew. Chem. :三乙基硼促进亲电与亲核物种形成,实现手性-季碳-氨基酸衍生物区域与立体选择性构建

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非蛋白质α-季碳α-氨基酸(α-AAs)是生物活性天然产物和药物分子中常见的核心结构单元。具有光学活性的α-季碳-α-AAS在非蛋白原肽能够增强生物学特性,例如稳定二级结构基序和增强对化学/酶降解的抗性。这类α-季碳α-氨基酸独特的生物和药物价值,促进其合成方法的不断创新和发展。


武汉大学王春江教授课题组长期致力于研究亚甲胺叶立德参与的催化不对称反应 (Acc. Chem. Res. 2020, 53, 1084−1100)。金属化亚甲胺叶立德通常作为1,3-偶极子应用于偶极环加成反应构建手性氮杂环。在研究催化体系中偶极环加成反应机制的基础上,该研究团队首次揭示简便易的金属化亚甲胺叶立德也是一类立体化学可控的碳亲核试剂 (J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11757−11765),这一发现为手性α-氨基酸尤其是α-季碳α-氨基酸的构建提供了有别于传统不对称相转移催化的合成途径 (Chin. J. Chem. 2021, 39, 15−24)。利用金属化亚甲胺叶立德作为碳亲核试剂,该团队发展了铜/钯双金属协同催化不对称直链选择性的烯丙基取代反应,合成一系列手性α-季碳-α-氨基酸衍生物 (Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 12312−12316);进一步发展铜/铱双金属协同催化不对称支链选择性烯丙基取代反应,克服成键空间更为拥挤、立体化学调控难度大的难题,通过改变铜/铱催化剂组合,高效实现含两个相邻手性中心a-季碳α-氨基酸衍生物所有四个光学异构体的立体发散性精准合成 (J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1508−1513)。几乎同时上海交通大学张万斌课题组也报道了两个类似双金属协同协同催化直链和支链选择性的不对称烯丙基取代反应。


上述两个区域选择性互补的铜/钯及铜/铱-双金属协同催化体系的不足之处在于,必须使用直链烯丙基碳酸酯作为亲电性金属-π-烯丙基物种前体。由醛为原料出发,直链烯丙基碳酸酯需经过三步合成才能得到。相比之下,如果能够使用仅需一步反应就可以获得的支链烯丙醇,上述反应的步骤经济性与原子经济性将得到极大的改善与提高。然而由于羟基的离去能力差,阻碍了支链烯丙醇应用于碱性条件下的不对称烯丙基化反应。在温和反应条件下,目前仅有Carreira课题组报道的Ir/膦-烯烃配体的催化剂体系,利用Lewis酸或Brønsted酸等外部活化剂增强羟基的离去能力,实现了支链烯丙醇参与的不对称烯丙基化反应。发展醛亚胺酯与支链烯丙醇的不对称区域及立体选择性烯丙基取代反应主要挑战性在于:烯丙醇活化所需要的Lewis/Brønsted酸与原位形成叶立德所需要的碱、对酸敏感的醛亚胺酯及环金属铱催化剂等之间的兼容性问题。因此,支链烯丙基醇活化剂的选择是实现上述设想的关键。

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图1. 研究背景介绍

近日,该研究团队利用简便易得的外消旋支链烯丙醇作为亲电性金属-π-烯丙基物种前体,以金属化亚甲胺叶立德作为立体化学可控的碳亲核试剂,实现了双金属协同催化区域选择性与立体发散性的不对称α-烯丙基取代反应。其中,三乙基硼作为添加剂在反应中发挥两个关键作用 (“一箭双雕”):提升烯丙醇羟基的离去能力以利于形成亲电性金属-π-烯丙基物种;同时在无需外加当量碱 (如碳酸铯等) 的条件下促进亲核性金属化亚甲胺叶立德的形成。

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图2. 双金属协同催化支链烯丙醇与醛亚胺酯合成线性或支链α-季碳α-氨基酸衍生物

为了揭示Et3B促进的支链烯丙醇和醛亚胺酯的不对称α-烯丙基化反应的机理,作者开展了一系列直链和支链烯丙醇参与的控制实验,并对Cu/Ir-协同催化体系中外消旋支链烯丙醇可能涉及到的动力学拆分或者动态动力学拆分开展了相关验证实验。基于文实验观察和DFT理论计算,作者中提出了可能的反应机理(图4)。支链的烯丙醇1被路易斯酸Et3B活化提升了羟基的离去能力,非手性钯或手性铱物种A很容易与之发生氧化加成反应,生成相应的亲电性金属-π-烯丙基中间体lnt-B,并形成相应的共轭路易斯碱(Et3B−OH)-;同时,醛亚胺酯2与手性铜络合物C配位,在 (Et3B−OH)促进下形成亲核性手性Cu-亚甲胺叶立德lnt-D。然后亲核性叶立德lnt-D物种进攻亲电性Pd-或Ir-π-烯丙基中间体lnt-B,产生对映体富集的线性烯丙基化产物3或支链烯丙基化产物4,并再生两种催化剂。

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图3. 可能的反应机理

在该工作中,王春江教授团队成功利用简便易的外消旋支链烯丙基醇作为金属-π-烯丙基物种前体,开发了醛亚胺酯的区域选择性和立体发散的不对称α-烯丙基取代反应。Et3B作为关键的活化剂在反应中发挥“一箭双雕”的作用,在协助活化烯丙醇形成亲电性金属-p-烯丙基物种的同时,促进了亲核性金属亚甲亚胺叶立德物种的形成。通过选择手性铜/非手性钯和手性铜/手性铱配合物作为组合催化剂,通过直链和支链选择性的烯丙基取代反应实现了一系列手性α-季碳α-氨基酸衍生物合成。铜/铱协同催化可以实现从相同起始原料出发,精准构建含两个相邻手性中心的α-季碳α-氨基酸所有四个光学异构体。同课题组前期研究工作相比较,新发展的催化体系具有原子经济性与步骤经济性的优点。作者进一步与天津大学党延峰教授合作进行了密度泛函理论(DFT) 计算,探索了Et3B添加剂的重要作用,并为双金属协同催化反应的区域选择性和立体选择性提供了合理的解释,进而佐证了反应的机理。

文信息

Cooperative Catalyst-Enabled Regio- and Stereodivergent Synthesis of α-Quaternary α-Amino Acids via Asymmetric Allylic Alkylation of Aldimine Esters with Racemic Allylic Alcohols

Lu Xiao,Xin Chang,Hui Xu,Qi Xiong,Prof. Dr. Yanfeng Dang,Prof. Dr. Chun-Jiang Wang


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202212948




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