電化學(xué)合成目前已經(jīng)成為有機(jī)合成界迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域之一，是一類利用電能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)的綠色合成技術(shù)。與傳統(tǒng)的氧化還原反應(yīng)相比，電化學(xué)轉(zhuǎn)化不需要使用當(dāng)量的化學(xué)氧化劑或還原劑，通過反應(yīng)物在電極上得失電子可實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)中的氧化還原轉(zhuǎn)化。在有機(jī)電合成反應(yīng)中，立體化學(xué)的選擇性控制一直是難點問題。因此，探索新型不對稱電化學(xué)反應(yīng)模式，為電化學(xué)立體選擇性轉(zhuǎn)化與調(diào)控提供獨特的解決方案，具有重要的研究價值。自由基中間體具有獨特的反應(yīng)性和立體控制的復(fù)雜性，實現(xiàn)對單電子轉(zhuǎn)移（SET）過程的精準(zhǔn)立體控制，以可預(yù)測的方式獲得目標(biāo)分子的全部立體異構(gòu)體仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。因此，開發(fā)電化學(xué)促進(jìn)SET介導(dǎo)的不對稱催化策略，實現(xiàn)目標(biāo)分子絕對和相對立體化學(xué)構(gòu)型的精準(zhǔn)控制，在不對稱自由基化學(xué)領(lǐng)域具有重要研究價值。下載化學(xué)加APP到你手機(jī)，更加方便，更多收獲。
（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）
聯(lián)合催化已成為發(fā)現(xiàn)新型不對稱合成轉(zhuǎn)化的一種有吸引力的合成策略。目前仍然缺乏有效的催化體系，能夠同時控制同源物種的自偶聯(lián)產(chǎn)物鄰近手性中心的絕對和相對構(gòu)型（Scheme 1A）。鑒于立體發(fā)散性自偶聯(lián)過程的復(fù)雜性，作者預(yù)計應(yīng)用雙催化電化學(xué)體系有望解決以上研究難點（Scheme 1B），通過催化中間體偶極反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)極性互斥底物的脫氫氧化偶聯(lián)反應(yīng)。應(yīng)用兩種類型路易斯酸催化劑，可區(qū)分相同的外消旋底物為不同電化學(xué)反應(yīng)性的手性中間體，利用電化學(xué)的可控氧化過程，繼而實現(xiàn)反應(yīng)活性和立體選擇性的精準(zhǔn)控制。如Scheme 1C所示，兩類手性路易斯酸配合物與羰基衍生物相互作用，分別生成相應(yīng)的金屬烯醇中間體，在電化學(xué)反應(yīng)條件下，鎳烯醇中間體 (Ni-bound enolate) 能夠通過SET過程在陽極氧化生成親電類型鎳自由基中間體；同時，另一類相對電化學(xué)惰性的路易斯酸烯醇中間體 (LA-bound enolate)，可捕獲鎳自由基中間體，最終生成自偶聯(lián)產(chǎn)物。通過調(diào)節(jié)陽極電位和電流密度、篩選路易斯酸催化劑、改變配體種類以及組合手性催化劑的構(gòu)型組合，同時控制自由基中間體以及自由基捕獲中間體的立體化學(xué)，即可實現(xiàn)含有相鄰季碳立體中心自偶聯(lián)分子的所有立體異構(gòu)體的高效合成。根據(jù)設(shè)計的實驗方案，作者使用外消旋的苯并噁唑乙酸酯1a作為反應(yīng)底物，鎳和手性噁唑啉配合物[Ni(OAc)2/(S)-2a]作為一類手性催化劑，路易斯酸和手性雙膦配合物(S,S)-3a作為另一類手性催化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。通過篩選路易斯酸催化劑種類，作者發(fā)現(xiàn)Cu(MeCN4)BF4在提高反應(yīng)的產(chǎn)率和立體選擇性方面效果最好（Table 1）。當(dāng)使用二茂鐵衍生雙膦配體(R,R)-3b時，產(chǎn)物的立體選擇性得到進(jìn)一步提高。在最優(yōu)的電化學(xué)反應(yīng)條件下，作者合成了自偶聯(lián)分子的所有立體異構(gòu)體(meso)-4a、(R,R)-4a和(S,S)-4a，高效高立體選擇性地實現(xiàn)了同源物種的自偶聯(lián)立體發(fā)散性合成（Scheme 2）。作者還考察了底物的適用范圍，帶有不同類型取代基的苯并噁唑乙酸酯底物均能以良好的收率、優(yōu)異的對映選擇性和非對映選擇性得到自偶聯(lián)目標(biāo)產(chǎn)物。此外，內(nèi)消旋產(chǎn)物也能夠以良好的收率以及非對映選擇性獲得。作者通過控制實驗、循環(huán)伏安法測試(CV)以及自由基捕獲實驗進(jìn)一步證明了反應(yīng)機(jī)理。控制實驗表明手性銅配合物催化劑和手性鎳配合物催化劑缺一不可，二者協(xié)同作用，才能實現(xiàn)最優(yōu)反應(yīng)活性以及立體化學(xué)控制（Scheme 3）。CV測試實驗結(jié)果表明，在電化學(xué)反應(yīng)條件下，鎳烯醇中間體可以被陽極氧化生成鎳自由基中間體，然而銅烯醇中間體在該體系中具有相對電化學(xué)惰性（Scheme 4）。自由基捕獲實驗表明，在鎳催化劑作用下，底物5或1a可以形成自由基中間體，得到相應(yīng)三元環(huán)開環(huán)產(chǎn)物6或8。不使用手性鎳催化劑或者應(yīng)用手性銅催化劑，均不能得到相應(yīng)的產(chǎn)物，進(jìn)一步表明手性鎳催化劑是生成自由基活性中間體的關(guān)鍵（Scheme 5）。 最后，作者提出了反應(yīng)可能的催化循環(huán)機(jī)理（Figure 1）。手性鎳配合物和手性銅配合物催化劑與底物作用，分別生成金屬烯醇中間體I和III。鎳烯醇中間體I在二茂鐵作用下通過SET過程發(fā)生陽極氧化，生成鎳自由基中間體II。該手性自由基中間體II被親核性的手性銅烯醇中間體III捕獲，生成目標(biāo)自偶聯(lián)分子。手性鎳配合物催化劑和手性銅配合物催化劑在自偶聯(lián)過程中協(xié)同作用，能夠分別對產(chǎn)物中每個手性中心進(jìn)行獨立立體控制，實現(xiàn)自偶聯(lián)立體發(fā)散性合成。 本工作開發(fā)了一類雙催化電化學(xué)不對稱反應(yīng)體系，實現(xiàn)鎳/銅雙催化立體發(fā)散性電氧化自偶聯(lián)反應(yīng)，該反應(yīng)具有范圍廣、效率高、收率好、非對映選擇性與對映選擇性優(yōu)異等優(yōu)點。該不對稱電化學(xué)合成策略涉及鎳和銅兩種不同的手性金屬配合物催化劑，分別對相同反應(yīng)底物同時活化并獨立地立體控制，僅僅改變兩個手性金屬催化劑的構(gòu)型組合，就可以很容易地實現(xiàn)手性鎳自由基中間體對手性銅烯醇中間體的立體發(fā)散性加成，實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的所有異構(gòu)體的高效合成。該工作有望促進(jìn)不對稱電化學(xué)合成策略應(yīng)用于更多復(fù)雜分子的不對稱以及立體發(fā)散性合成，具有重要的發(fā)展前景。
郭昌，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心教授。2007年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。2007-2013年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀博士學(xué)位。2013-2017年在德國明斯特大學(xué)從事博士后研究。2017-2018年被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聘為特任研究員。2018年至今任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授。自2018年工作以來，以通訊作者身份在J. Am. Chem. Soc. (5)、Angew. Chem. Int. Ed. (7)、Nat. Synth. (3)、Nat. Commun. (4)、Sci. Adv. (1)以及CCS Chem (1)等國內(nèi)外知名期刊發(fā)表論文20余篇。
文獻(xiàn)詳情：
Jiayin Zhang, Wangjie Zhu, Ziting Chen, Qinglin Zhang, and Chang Guo*. Dual-Catalyzed Stereodivergent Electrooxidative Homocoupling of Benzoxazolyl Acetate. J. Am. Chem. Soc. 2024, https://doi.org/10.1021/jacs.3c11429
在線客服
快速發(fā)布
我的店鋪
我的化學(xué)加
我的消息
我要充值
回到頂部
