研究论文介绍

D2对称手性卟啉钴催化剂合成

本文作者alberto-caeiro

美国波士顿学院(Boston Collage)的华人教授X. Peter Zhang开发了一类新D2对称手性卟啉配体。与已报道的卟啉配体不同的是,该配体通过烷基链将卟啉的口袋环境“缝合”,得到的是穴状环境,此配体对烯烃环丙烷和氮杂环丙烷反应有更好的对映选择性。该工作发表于德国应用化学上。

 

Next‐Generation D2‐Symmetric Chiral Porphyrins for Cobalt(II)‐Based Metalloradical Catalysis: Catalyst Engineering by Distal Bridging

Hu, Y.; Lang, K.; Tao, J.-R.; Marshall, M. K.; Cheng, Q.-G.; Cui, X.; Wojtas, L.; Zhang, X. P.,

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 2670–2674.DOI: 10.1002/anie.201812379

 

背景介绍

自由基反应作为C-C成键的另一种方法,在近些年有很大的发展[1a-c],但选择性的自由基反应仍有许多困难,尤其是对映选择性的控制[1d, 1e]。在近年,具有未成对d电子的金属催化的自由基反应为对映选择性的自由基反应提供了新的反应模式和思路[2]。在这其中,作者开发了以卟啉钴作为单电子金属催化的自由基反应,其中金属钴作为自由基活化剂与重氮化合物结合产生碳烷基自由基A1,A1随后与烯烃加成得到自由基A2,最后发生3-exo-tet型的自由基均裂环化反应得到环化产物,再生催化剂[3a-b](图1A)。该自由基的分步反应为烯烃的环丙烷化提供了一种新的反应模式。类似的,如图1B所示,该反应模式也可应用于烯烃的氮杂环丙烷化反应[3c-d]中,有机叠氮化物与卟啉钴催化剂反应得到的氮自由基B1,B2是氮杂环丙烷化反应中的关键中间体。虽然自由基的高活性为其立体选择性的反应设置了极大的阻碍,但此反应中的自由基因与卟啉钴催化剂相连而变得不再自由,因此有发生立体选择性的反应的可能性。

作者在此前的工作中[3b,d]证实卟啉钴催化剂能够催化自由基的立体选择性反应。通过对卟啉配体的位阻和电性的调整,手性的卟啉钴催化剂可高效的实现自由基环化反应。手性卟啉配体中的手性源是该催化剂催化烯烃环丙烷化得到的手性环丙烷产物,手性中心是通过生成酰胺引入卟啉配体。如图1C所示,作者根据后续结果猜测,酰胺上的活泼氢作为氢键给体,与底物中的氢键受体作用,共同导致了反应的高对映选择性。

图1:卟啉钴催化反应机理及催化模型

作者此前的工作已经表明此类手性的卟啉配体有很好的对映选择性结果,因此开发新的卟啉配体用于新的反应体系是十分有必要的。此前的卟啉配体的手性环境是口袋状(Pocket-Like),作者在此基础之上,通过将酰胺链的尾端相连,合成了穴状(Cavity-Like)的手性卟啉配体(HuPhyrin),并对该配体反应性能进行了研究。

图2:Creation of cavity-like chiral environment by bridging.

结果介绍

  1. 手性穴状卟啉配体合成

作者选择可由1和2经一步C-N偶联得到的3(3,5-DitBu-Tao(tBu)Phyrin)作为反应模块进行后续转化。3水解得到的羧酸与卤代烃反应得到4a和4b,再经过烯烃复分解关环后氢化得到相应长度的烷基桥链,即所需要的手性穴状配体P3 (3,5-DitBu-Hu(C4)Phyrin)和P4 (3,5-DitBu-Hu(C6)Phyrin),与CoCl2反应得到相应卟啉钴催化剂[Co(P3)]和[Co(P4)]。

图3:Synthesis of D2-symmetric chiral bridged amidoporphyrins and cobalt(II) complexes.

所得到的穴状卟啉配体和相应的口袋状配体随后进行核磁共振氢谱和X-ray表征,探讨此链状结构对卟啉配体构象的作用。由H-NMR可知,由两根C-C键自由旋转可导致的氢谱中氢信号(Ha和Hb)的宽度有明显缩小,穴状配体的峰形也更加尖锐,说明穴状卟啉配体有更加刚性的结构。而P3与P4相比,其Ha的峰宽更窄,说明P3的环骨架更加更加刚性。

XRD结果表明手性穴状卟啉配体P3和P4被桥链结构一分为二。与H-NMR结果类似,P3的空间更加拥挤,C1-C2,N1-N2间的距离更短,穴状的空间更小。

图4:手性卟啉配体的H-NMR

图5:X-ray structures of bridged amidoporphyrins.

  1. 手性穴状卟啉配体反应性能研究

作者将合成的配体分别应用于烯烃的环丙烷化和氮杂环丙烷化反应中,在相同条件下,穴状配体的手性诱导能力明显远优于口袋状配体的。在环丙烷化反应中,P3和P4在反应性和选择性都是优于P1和P2的,且P3优于P4。但在氮杂环丙烷化反应中,虽然P3和P4都有好的手性诱导能力,但是更小环的P3的反应性明显降低,说明穴状配体的空间大小对反应有较大影响,

图6:4种卟啉钴催化环丙烷化和氮杂环丙烷化反应

 

文章小结

本文作者通过5步反应,从简单原料出发合成了新一代具有烷基桥键的D2对称的手性卟啉配体。这类配体有更加刚性的结构,且其结构可通过链段的长短调控,他们可用于高效的诱导反应的对映选择性。烷基链段的长短对反应的反应性有较大影响。

 

参考文献

  1. a) M. P. Plesniak, H. M. Huang, D. J. Procter, Nat. Rev. Chem., 2017, 1, 0077. DOI: 10.1038/s41570-017-0077; b) N. Kern, M. P. Plesniak, J. J. W. McDouall, D. J. Procter, Nat. Chem., 2017, 9, 1198. DOI: 10.1038/nchem.2841; c) F. D8nHs, M. Pichowicz, G. Povie, P. Renaud, Chem. Rev., 2014, 114, 2587. DOI: 10.1021/cr400441m; d: T. Hashimoto, Y. Kawamata, K. Maruoka, Nat. Chem., 2014, 6, 702. DOI: 10.1038/nchem.1998; e) W. Zhang,F. Wang, S. D. McCann, D. Wang, P. Chen, S. S. Stahl, G. Liu, Science 2016, 353, 1014. DOI: 10.1126/science.aaf7783;
  2. a: For a review, see: A. Studer, D. P. Curran, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 58.DOI: 10.1002/anie.201505090; b: c) H.Pellissier, H. Clavier, Chem. Rev., 2014, 114, 2775. DOI: 10.1021/cr4004055;
  3. a: H. Lu, W. I. Dzik, X. Xu, L. Wojtas, B. de Bruin, X. P. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 8518. DOI: 10.1021/ja203434c; b: Y. Wang, X. Wen, X. Cui, L. Wojtas, X. P. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 1049. DOI: 10.1021/ja203434c; c: V. Lyaskovskyy, A. I. Olivos Suarez, H. Lu, H. Jiang, X. P. Zhang, B. de Bruin, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 12264. DOI: 10.1021/ja204800a; d: H. Jiang, K. Lang, H. Lu, L. Wojtas, X. P. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9164. DOI: 10.1021/jacs.7b05778; e: Y. Chen, K. B. Fields, X. P. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 14718. DOI: 10.1021/ja044889l;

 

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