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手性杂双金属催化环丙烷与芳香胺不对称开环反

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-02-21 19:23 人气:

  王鸿教授课题组使用手性杂双金属 Lewis 酸催化剂实现了环丙烷与芳香胺不对称开环反应。机理研究包括动力学实验和计算化学,验证了该反应经历了动力学拆分主导的 S通过催化剂单晶结构的确认,以及一系列稀土金属双催化剂的考察,作者了中心金属离子半径与开环反应催化活性的关系。

  最近,王鸿教授课题组报道了手性金属磷酸盐和非手性金属Lewis酸通过转金属化作用形成了 C4 对称的手性双金属催化剂(图一),成功实现了不饱和酮酸酯,芳香胺和环酮类化合物的三组分不对称氮杂 -Diels−Alder 反应(J. Org. Chem.2015,80, 7984–7993)。

  环丙烷作为 1,3-合成子在不对称开环反应或者环化反应上有着广泛的应用。在相关文献的报道中,如唐勇教授课题组开发的基于边臂策略的手性金属恶唑啉催化系统能够很好地催化环丙烷与二级脂肪胺的开环反应(J. Am. Chem. Soc.2012, 134, 9066–9069),冯小明教授课题组开发的手性金属双氮氧催化系统能够很好地催化环丙烷与二级芳香胺的开环反应(Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 227–230)。它们均是目前较为成熟的催化体系,不足之处是他们的催化反应均需在惰性气体氛围条件下进行,并且环丙烷与一级芳香胺的直接开环反应并没有相关报道。基于此,我们尝试将手性双金属催化剂运用在这类具有挑战性的反应上。

  作者经过一系列反应条件的优化,在以 Y(OTf)3和 (R)-Yb[P]3作为催化剂,5 Å 筛和 H2O 作为添加剂,以 m-xylene 作为溶剂,能够较高收率和对映选择性地得到开环产物(图二)。

  在最优反应条件下,作者对该反应的底物普适性进行了考察(图三)。对于环丙烷类底物,3-位取代的苯基环丙烷能给出特别好的收率和对映选择性,2-位和4-位取代的苯基环丙烷给出的结果均不理想。对于芳香胺类底物,供电子取代的苯胺能给出不错的收率和对映选择性,而吸电子取代的苯胺给的结果稍差。

  接着,作者对反应机理进行了研究(图四)。动力学实验表明该反应在双金属催化条件下是一个简单 SN2 型动力学拆分反应,而不是动态动力学反应。

  同时,作者对催化剂结构进行了研究(图五)。作者初步尝试培养 Y(OTf)3-Yb[P]3的催化剂单晶,但是并没有成功。作者转而培养 Yb(OTf)3-Yb[P]3的催化剂单晶,该单晶结构了 Yb(OTf)3可以打断原有的 Yb[P]3部分金属离子键,通过转金属化作用重组形成具有 C4 轴的双金属结构催化剂。

  由于稀土金属具有相似的原子半径以及配位价态,同时为了更加清楚地了解稀土金属对该催化反应的作用,作者考察了一系列稀土金属参与形成的双金属催化剂(图六)。通过它们的催化效果对比,作者猜测,由于 Sc3+离子半径太小,很难通过转金属作用形成双金属催化剂,因而对于该反应没有起到不对称催化作用;而从 La3+到 Lu3+,随着离子半径的减小,反应的对映选择性在一定程度上是有所提升的。Lu3+相较于 Yb3+离子半径虽然更小,但 Lewis 酸性要更低,因此表现出稍差的反应活性和对映选择性。

  随后作者通过 DFT 计算发现在 Y-Yb 杂双金属催化剂中,(R)-构型的环丙烷上的双酯基倾向于和 Yb 配位活化作用,通过 SN2/质子转移机理,高对映选择性地得到 (S)-构型的开环产物(图七)。其中 SN2 步骤是该反应的决速和手性控制步骤,这些与前面的实验数据是保持一致的。

  除此之外,作者还对催化产物3a进行了衍生,能够较高收率地得到了对映选择性保持的相应衍生化产物(图八)。

  王鸿课题组报道了一类新型的手性杂双金属催化剂,用于催化环丙烷与芳香胺类化合物的不对称开环反应。通过对反应机理的研究,作者推断出该反应经历的是一个 SN2 型的动力学拆分历程。通过对催化剂结构的研究,作者了稀土金属参与的转金属化过程,并且较为系统地考察了它们在开环反应中的催化活性。在相关的后续研究中,作者正在尝试将该类催化剂应用到更多挑战性的反应中。



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