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余金權(quán)最新Nat. Synth.:鈀催化亞甲基C(sp3)-H的內(nèi)酰胺化與環(huán)胺化反應(yīng)

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-04-15
導(dǎo)讀:近日,美國斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)余金權(quán)課題組設(shè)計(jì)和開發(fā)了新型的氯化吡啶-吡啶酮配體,該配體可以克服N-配位,并促進(jìn)N-保護(hù)ω-氨基酸的羧基導(dǎo)向內(nèi)酰胺化和環(huán)胺化反應(yīng)。在該反應(yīng)中,導(dǎo)向C(sp3)-H活化和C(sp3)-N鍵形成與現(xiàn)有的氮導(dǎo)向C(sp3)-H胺化方法具有明顯不同。利用此策略可以將線性ω-氨基酸轉(zhuǎn)化為具有γ-和δ-內(nèi)酰胺、吡咯烷和四氫喹啉等藥物相關(guān)骨架的環(huán)β-氨基酸。此外,stemoamide的形式合成證明了該方法的實(shí)用性。相關(guān)成果發(fā)表在Nat. Synth.上,文章鏈接DOI:10.1038/s44160-024-00517-5。

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(圖片來源:Nat. Synth.

正文

由于內(nèi)酰胺和環(huán)胺骨架普遍存在天然產(chǎn)物和藥物中,因此通過C(sp3)-N鍵的構(gòu)建來制備飽和雜環(huán)的環(huán)化反應(yīng)是現(xiàn)代合成化學(xué)的基石之一(Fig. 1a)。C(sp3)-H胺化方法的出現(xiàn)開創(chuàng)了一個(gè)新的時(shí)代,其可以通過C-H活化直接形成C(sp3)-N鍵,目前已成為一種重要的合成策略。雖然依賴于乃春、自由基和烯丙基C-H鍵的活化等策略的C(sp3)-H胺化反應(yīng)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展,但實(shí)現(xiàn)普遍存在的非活化亞甲基和甲基的C-H胺化過程仍然很困難。雖然鈀催化甲基和亞甲基的C(sp3)-H胺化可以實(shí)現(xiàn)這一過程,但通常需要使用導(dǎo)向基團(tuán)的協(xié)助,這限制了其應(yīng)用。最近,美國斯克里普斯研究所余金權(quán)課題發(fā)展了新型氯化吡啶-吡啶酮配體,其可以有效促進(jìn)N-保護(hù)ω-氨基酸的內(nèi)酰胺化和環(huán)胺化反應(yīng),構(gòu)建了一系列具有γ-和δ-內(nèi)酰胺、吡咯烷和四氫喹啉等骨架的環(huán)β-氨基酸類化合物(Fig. 1b)(Fig. 1c)。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),收獲更多商業(yè)合作機(jī)會(huì)。

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(圖片來源:Nat. Synth.

首先,作者選擇N-保護(hù)ω-氨基酸1作為模板底物對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了探索(Fig. 2)。通過對(duì)一系列吡啶-吡啶酮配體的篩選,作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用Pd(OAc)2 (10 mol%), L14 (12 mol%), p-Xyloquinone (2.0 equiv), Ag2CO3 (2.0 equiv), K2HPO4 (0.35 equiv), CsOAc (0.4 equiv), 在HFIP中,100 oC反應(yīng)36小時(shí),可以以65%的核磁產(chǎn)率得到γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物1a。

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(圖片來源:Nat. Synth.

雖然目前可以確定吡啶-吡啶酮配體可以與鈀形成五元螯合物,并傾向于經(jīng)歷β-C-H活化,但產(chǎn)物1a的形成是通過羧酸導(dǎo)向的β-C-H γ-內(nèi)酰胺化過程還是酰胺導(dǎo)向的γ-C-H γ-內(nèi)酰胺化過程還不清楚。為了區(qū)分這兩種反應(yīng)途徑,作者研究了底物2的反應(yīng)性(Fig. 3a)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,2的內(nèi)酰胺化反應(yīng)僅以75%的核磁產(chǎn)率得到了δ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物2b,這表明反應(yīng)傾向于羧酸導(dǎo)向的β-C-H δ-內(nèi)酰胺化反應(yīng)途徑。鑒于酰胺導(dǎo)向的δ-C-H活化途徑能涉及七元環(huán)鈀中間體,因此可能性較小。此外,由于作者并沒有觀察到γ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物2a,由此表明所觀察到的C-N鍵形成反應(yīng)與酰胺導(dǎo)向的反應(yīng)途徑不一致。與這一假設(shè)相一致的是,N-保護(hù)ω-氨基酸甲酯34在相同的反應(yīng)條件下反應(yīng)時(shí)并沒有觀察到C-N鍵形成,這表明底物中羧酸的存在對(duì)反應(yīng)性至關(guān)重要(Fig. 3b)。接下來,作者探索了導(dǎo)向基和配體的匹配是否可以作為實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)選擇性轉(zhuǎn)化的策略(Fig. 3c)。初步的研究結(jié)果表明,導(dǎo)向基團(tuán)與配體之間的匹配可以實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)特異性的C-H官能團(tuán)化。此外,作者發(fā)現(xiàn)4-氯喹啉-吡啶酮配體L18可以有效的改善具有α-螺環(huán)酰胺的底物6的環(huán)化過程,以47%的產(chǎn)率得到δ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物6b(使用L14時(shí),產(chǎn)率僅為12%)(Fig. 3d)。

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(圖片來源:Nat. Synth.

通過DFT計(jì)算研究,作者發(fā)現(xiàn)使用配體L14時(shí),羧酸導(dǎo)向的C-H活化過程比酰胺取向的C-H活化有優(yōu)勢(shì)的本質(zhì)是立體因素影響的。即五元螯合配體L14在與鈀中心配位時(shí)會(huì)與底物的Ts酰胺部分產(chǎn)生立體排斥,因此羧酸導(dǎo)向的C-H活化過程比酰胺導(dǎo)向的過程更有利(Fig. 4)。

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(圖片來源:Nat. Synth.

在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后,作者對(duì)此γ-和δ-內(nèi)酰胺化過程的底物范圍進(jìn)行了考察(Fig. 5)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,一系列不同取代的氨基酸衍生物均可順利實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)化,以22-93%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的γ-和δ-內(nèi)酰胺產(chǎn)物1a-25a。此外,此C-N鍵形成策略還就可以擴(kuò)展到更具挑戰(zhàn)性的C-H環(huán)胺化反應(yīng)。利用此策略,在配體L14L18的促進(jìn)下,以27-82%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的環(huán)胺產(chǎn)物26a-44a(Fig. 6)。


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(圖片來源:Nat. Synth.
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(圖片來源:Nat. Synth.

最后,為了證明此轉(zhuǎn)化的實(shí)用性,作者利用此策略實(shí)現(xiàn)了Stemona生物堿的形式合成(Fig. 7a)。首先,作者利用1作為起始原料,通過此方法可以以57%的分離產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)γ-內(nèi)酰胺1a的克級(jí)規(guī)模合成。隨后,脫去1a的氮-Ts保護(hù)基,接著分子發(fā)生兩次烯丙基化,以51%的產(chǎn)率得到雙烯丙基內(nèi)酰胺47。47經(jīng)歷Ireland–Claisen重排以73%的產(chǎn)率得到雙烯丙基羧酸48 (dr = 5:1),其經(jīng)歷連續(xù)的關(guān)環(huán)復(fù)分解和氫化以85%的產(chǎn)率得到雙環(huán)內(nèi)酰胺羧酸49。49通過光氧化還原脫羧氧化反應(yīng)以60%的產(chǎn)率得到雙環(huán)酮內(nèi)酰胺50,從而實(shí)現(xiàn)了消旋Stemona生物堿的形式合成。此外,關(guān)環(huán)復(fù)分解產(chǎn)物52可以通過與NBS經(jīng)歷烯烴的溴代內(nèi)酯化,以70%的產(chǎn)率得到復(fù)雜多環(huán)化合物53??傊瑥?/span>1制備5053證明了利用此策略構(gòu)建復(fù)雜分子骨架的潛力。值得注意的是,作者發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)出的配體也可應(yīng)用于二羧酸的內(nèi)酯化(Fig. 7b)。當(dāng)使用與配體L1最相似的配體L18來實(shí)現(xiàn)以前難以實(shí)現(xiàn)的N-保護(hù)二羧酸底物54的內(nèi)酯化過程時(shí),可以將反應(yīng)產(chǎn)率從25%提高到60%。

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(圖片來源:Nat. Synth.

總結(jié)

余金權(quán)課題設(shè)計(jì)了兩類新型氯化配體L14L18,實(shí)現(xiàn)了鈀催化、羧酸導(dǎo)向的N-保護(hù)ω-氨基酸的內(nèi)酰胺化和環(huán)胺化反應(yīng)。利用此C-N鍵形成反應(yīng)可以通過C-H活化來構(gòu)建具有不同環(huán)大小和結(jié)構(gòu)的環(huán)內(nèi)酰胺和胺骨架,且這些結(jié)構(gòu)在化學(xué)合成和藥物化學(xué)中具有重要的應(yīng)用。值得注意的是,利用此方法還可以實(shí)現(xiàn)stemoamide生物堿的形式合成,進(jìn)一步證明了該方法的實(shí)用性。


文獻(xiàn)詳情:

Hau Sun Sam Chan, Yilin Lu, Jin-Quan Yu*. Palladium-catalysed methylene C(sp3)–H lactamization and cycloamination enabled by chlorinated pyridine–pyridone ligands, Nat. Synth.2024, https://doi.org/10.1038/s44160-024-00517-5.

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