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具有金属手性中心的可见光氧化还原催化剂

2014年、德国马尔堡大学・Eric Meggers等人开发了一种具有金属手性的手性可见光氧化还原催化剂,实现了2-酰基咪唑的手性α-烷基化反应的开发。(虽然这是一篇比较老的文章,但是很值得一读)

“Asymmetric photoredox transition-metal catalysis activated by visble light”

Huo, H.; Shen, X.; Wang, C.; Zhang, L.; Röse, P.; Chen, L.-A.; Harms, K.;  Marsch, M.; Hilt, G.; Meggers, E.* Nature 2014, 515, 100. doi:10.1038/nature13892

问题设定与解决

可见光氧化还原催化剂与不对称催化剂,这两个催化剂进行组合使用进行的可见光驱动的不对称反应已经成为一个比较热门的课题,近年来也有一定的成果出现。而开发一种兼具这两种性质的单一催化剂,在可见光下实现不对称催化的反应在这篇论文出来前还是一个处女地。

这篇文章就是关于单一催化剂的可见光还原催化不对称反应。

 

 

具体实施手段

而作者在同年报道了利用手性Ir路易斯酸(Λ-Ir1)催化剂对α,β-不饱和基-2-酰基咪唑的手性1.4-亲核加成反应[1]。作者萌发了这个具有金属手性中心的路易斯酸催化剂是否也可以作为可见光还原氧化剂进行自由基反应的设想,从而有了这篇文章的诞生。

 

主张的有效性验证

①反应条件的优化

首先用R1=Ph, R2=Me 的酰基咪唑为底物,2-氰基-4-硝基苄基溴作为烷基化试剂进行条件的筛选。

作者发现稍微升温到40℃,有以下优点:1. 加速配体交换, 2. 加速弱碱性条件下的烯醇化。浓度的提高有助于反应的加速,有效缩短反应时间并且提高了产率(up to 97%, 95%ee)。

同时,作者还对催化剂进行了新的摸索开发,在已知的催化剂Λ-Ir1的基础上,把原来的配体的恶唑部改成苯并噻唑合成了新的催化剂Λ-Ir2、该催化剂使得产率与手性选择性都得到了提高(up to 100%, 99%ee)。由于C-S键比C-O键更长,所以t-Bu基更加靠近配位部,更利于手性环境的构建。

②底物拓展

作者对2-酰基咪唑的α位的取代基进行修饰发现,对单取代的芳基(吸电子・缺电子基)、萘基、噻吩都兼容。但是如果把芳香族换成甲基或者乙基的话,产率有所下降,如果用LED灯取代可见光的话,虽然产率有所改善,但是反应时间长等限制了其底物的广谱性。

烷基化试剂中Br的邻位必须是缺电子的取代基取代的,本文中只证实了溴苄或苯甲酰甲基溴是对该反应有效的。

③反应机理与催化循环的考证

作者在supporting中进行了多个实验进行推理,得出了下图所示的这个催化循环。其中最重要的发现是、反应中Λ-Ir2本身并不能作为可见光氧化还原催化剂、而是烯醇与催化剂Λ-Ir2形成的配位化合物作为可见光氧化还原催化剂催化进行的反应。

  1. 光与催化剂缺一不可。
  2. 反应必须在Ar环境下进行,如果在敞开环境,或者加入TEMPO等自由基猝灭剂的话,无法得到目标产物。这预示着该反应是自由基参与的反应。
  3. 光照与暗室中轮流进行反应,并且通过测量各个阶段的conversion发现,在光照条件下反应顺利进行,而在暗室下反应停滞,因此该反应应该是自由基的连锁反应。
  4. 合成烯醇与催化剂Λ-Ir2配位的配合物II,作为催化剂催化该反应,反应顺利进行。因此很有可能配合物II才是真正起到催化作用的。
  5. 参考Stern-Volmer Plot进行实验发现配合物与苄溴,相较于Λ-Ir2与苄溴,更容易发生淬灭。
  6. 循环伏安法的测定结果显示,配合物II相比于Λ-Ir2具有更低的氧化电位、而还原能更强。(E1/2(II+/II*) of -1.74V versus Ag/AgCl)。
  7. 配合物Ⅰ配合物Ⅱ通过2-酰基咪唑与催化剂Λ-Ir2混合得到,并且分离纯化,通过单晶确定了结构。

小编所感

  • 这是一个亲电子自由基与亲核试剂之间的反应,因此作为亲电试剂的溴代烷基化试剂必须是缺电子的。如果要提高底物的适用性的话,可能需要具有更强还原性的催化剂。
  • 通过拥有很强的单电子氧化能的可见光催化剂生成的亲核自由基与亲电试剂的组合是否也能发生类似的反应?

需要读的相关论文推荐

  • UV照射下,单一催化剂完成了可见光氧化还原驱动+不对称催化两种功能[2]

参考文献

  1. Huo, H.; Fu, C; Harms, K.; Meggers, E. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2990. DOI: 10.1021/ja4132505
  2. Bauer, A.; Westkämper, F.; Grimme, S.; Bach, T. Nature 2005, 436, 1139. doi:10.1038/nature03955

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LuWenjie

LuWenjie

京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。

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