南方科技大学舒伟团队Chem Catal:光催化骨架重排脱氢芳构化助力芳胺合成

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物质科学

Physical science


芳胺是一种具有特殊骨架的有机分子,广泛存在于药物分子、农用化学品和材料科学中。通过C-N偶联获得分子框架的经典催化方法,往往以Pd0/II或CuI/II作为催化剂,以胺亲核试剂与芳基卤化物或芳基硼酸为底物进行交叉偶联。近年来,这些方法取得了巨大的进步,但需要使用昂贵的催化剂和配体,严格的反应条件,以及预功能化的芳香族化合物。当芳香配合物难以合成,或者卤化物/硼官能团的引入受选择性等问题(邻位、间位、对位)影响时,这些策略就难以发挥作用。因此,非功能化芳香族化合物的直接胺化方法应运而生,但是已经报道的相关方法却面临着选择性低和底物有限(仅限于富电子的芳香化合物和胺前驱体)的困扰。


近日,南方科技大学舒伟团队在芳基胺合成领域取得了最新进展,作者报道了一种前所未有的光催化C-N偶联、骨架扩展和脱氢芳构化合成芳胺的方法。具有不同取代基的各种伯胺、环胺和无环仲胺以及碘甲基环戊酮均适用于该策略,可直接从环戊酮中获得N,N-二烷基和N-烷基芳胺。值得注意的是,游离氨基醇经过选择性N-芳基化可以合成N-单芳基化氨基醇。这一策略将吸引更多研究者通过骨架重排,从非芳香化合物构建芳胺和其他芳香化合物。2024年1月5日,该工作以“Arylamine synthesis enabled by a photocatalytic skeletal-editing dehydrogenative aromatization strategy”为题发表在Cell Press细胞出版社期刊Chem Catalysis上。











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要点1:芳胺合成新反应模式


作者首先以α-碘甲基β-酮酯和吗啉作为模型底物来测试这一方法的可行性(表1)。在对反应参数进行了评估和优化后,实现了预期的反应,并以4CzIPN和Co(dmgH)2PyCl为催化剂,实现了产率为13%的苯胺产物。对光催化剂的评估表明,使用Ru(Phen)3(PF6)2可将产率提高到33%。酸和碱的存在对于骨架重排/级联以形成反应产物至关重要。随着DABCO负载的增加,产率进一步提高。接着,作者发现,选择Co(dmgH)(dmgH2)Cl2作为催化剂可以进一步将产率提高到60%。对酸使用的优化表明,使用Brønsted酸或Lewis酸作为添加剂有助于形成目标产物。在Sc(OTf)3(40 mol%)存在下,该反应产率可以达到81%。进一步优化反应条件,通过添加分子筛使产率提高到85%。


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表1 反应条件的优化


要点2:双催化C-N偶联/骨架扩展/脱氢芳构化


基于上述反应条件,作者开始评估这种由胺和碘甲基环戊酮通过C-N偶联/骨架扩展/脱氢芳构化过程合成苯胺反应的普适性。作者首先评估了胺的范围,多种环仲胺是生成目标苯胺的良好底物(图1)。哌啶是小分子药物中最常见的氮杂环分子之一,在药物前体的修饰中起着关键作用。作者发现,具有不同取代基和不同电子性质的多种哌啶与当前的反应条件是相适用的,并且能以良好的收率转化为相应的苯胺衍生物。值得注意的是,许多敏感的极性官能团,如α-伯/仲/叔游离醇、酮、游离氨基甲酸酯、游离酰胺和酯在反应中耐受良好。


此外,另一种在药物中广泛存在的N杂环结构——哌嗪,也可以高效转化为相应的苯胺衍生物。值得一提的是,含N芳烃,如吡啶和嘧啶,也能够以51%和65%的产率获得相应的苯胺。此外,无环伯胺和仲胺在反应中具有良好的耐受性,以高达77%的收率生成相应的苯胺。为了进一步证明该策略的实用性,作者在温和条件下成功地实现了天然产物的N-芳基化,而这通常需要在苛刻条件下使用亲核芳香族取代或需要金属催化C-N偶联。


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图1 胺类的范围


要点3:选择性游离氨基醇的N-芳基化


氨基醇是药物和具有生物活性的天然产物中常见的重要结构元素。更重要的是,在药物发现和开发过程中,各种氨基醇衍生物作为候选药物进行生物学评价。鉴于氨基醇在药物和有机化学中的重要作用,作者进一步证明了该策略在游离氨基醇的后期修饰中的实用性(图2)。游离氨基醇可以化学选择性地进行N-单芳基化,手性氨基醇经过N-芳基化后仍能够保持其对映体纯度。在α-位置具有不同取代基的各种氨基醇都是该反应的良好底物。氨基醇与仲胺和游离醇顺利转化为相应的苯胺。此外,游离氨基酯也可发生选择性N-芳基化反应,生成相应的苯胺。


文中,作者对具有不同取代基的α-碘甲基环戊酮与(S)-2-苯基甘二醇形成苯胺的反应进行了评估。作者发现其他吸电子基团,如苯基、酮、腈和酰胺,也适用于该反应,这扩大了Dowd-Beckwith反应的范围。其次,各种5-取代α-碘甲基-β-酮酯,包括伯烷基、仲烷基和叔烷基,都具有良好的耐受性。此外,作者还研究了不同的α-碘甲基-β-酮酯的反应适用性,结果表明,不同的酯基,如乙基、异丙基、叔丁基、烯丙基和苄基,都能得到较好的苯胺产物。该策略还成功地应用于复杂分子的后期功能化。


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图2 氨基醇和氨基酯的范围


要点4:反应机理探究


文中作者开展了系列探究反应机制机理方面的研究(图3)。首先,碘甲基环戊酮与胺在酸催化剂作用下缩合生成胺中间体A,光催化剂通过RuII的光激发生成RuII*,RuII*可被DABCO还原生成RuI物种和DABCO+。RuI通过与胺中间体A的单电子转移(SET)裂解C-I键得到RuII和烷基自由基中间体B。同时,烷基中间体B经过分子内加成-开环级联得到六元胺基中间体C,再经过去质子化得到烯丙基中间体D。D被CoII打断,得到烷基-CoIII中间体,使得β-氢消除得到共轭二胺E和[CoIII-H]等价物,这实际上是一个带有质子化配体的CoI中心。[CoIII-H]等价物被质子源(例如DABCO-H+)淬灭释放出氢气,并产生CoIII中间体,这些中间体可以通过SET被RuI还原为CoII。二胺中间体E失去1个电子被氧化为二胺自由基阳离子中间体F,然后去质子化得到自由基中间体G。中间体G经过脱氢过程生成最终的芳胺。


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图3 可能的反应机理


综上,作者通过光氧化还原/钴肟双催化的C-N偶联、骨架重排和无受体脱氢芳构化,开发了一种从非芳香前体合成芳胺的反应,可在室温下由碘甲基环戊酮直接合成具有多种取代基的N、N-二烷基和N-烷基芳胺,并具有良好的官能团耐受性。此外,该策略能够实现未予以保护的氨基醇和酯的N-单芳基化。这种芳胺合成方案避免使用芳香族前体,是芳胺合成的一次大胆的尝试。预计该策略将启发众位学者,致力于通过碳骨架重组构建芳香族结构,以开发不同非芳香族前体的合成策略。





相关论文信息




论文标题:

Arylamine synthesis enabled by a photocatalytic skeletal-editing dehydrogenative aromatization strategy

论文网址:

https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(23)00461-X

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.checat.2023.100873



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