ACS Catal.： N-杂环分子的立体发散性合成策略研究

研究论文介绍

ACS Catal.： N-杂环分子的立体发散性合成策略研究

2022/12/16
研究论文介绍
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本文作者：杉杉

导读：

近日，清华大学的王健等研究团队在ACS Catalysis中发表论文，报道一种全新的通过催化剂控制的咪唑啉衍生物与联烯衍生物之间的[5 + 2]环加成反应方法学，进而成功完成一系列N-杂环分子的构建。本文中该小组通过金催化剂促进的[5+2]环加成策略，成功完成一系列1,4-高哌嗪 (1,4-diazepane)分子的构建；通过铁催化剂促进的串联[5+2]环加成/Friedel-Crafts环化策略，顺利完成一系列1,4-二氮杂二环[4.3.1]癸烷分子的构建。

Stereodivergent Syntheses of N‑heterocycles by Catalyst-Controlled Reaction of Imidazolidines with Allenes

J. He, L.Yang, X. Zhang, W. Xu, H. Wang, M. Lang, J. Wang, S. Peng, ACS Catal. 2022, 12, 14647. doi: 1021/acscatal.2c04775.

正文：

氮杂双环[4.3.1]癸烷骨架广泛存在于各类天然产物以及生物活性分子中(Figure 1)。目前，已经成功设计出多种构建氮杂双环[4.3.1]癸烷分子的合成转化策略^[1]-[4]。然而，对于1,4-二氮杂双环[4.3.1]癸烷分子的构建，仍有待进一步研究。这里，受到近年来对于 [5+2]环加成反应方法学 (Scheme 1a)^[5]、分子内[5+2]环加成反应方法学 (Scheme 1b)^[6]-[7]、选择咪唑啉作为1,5-偶极子等价物参与的合成转化方法学^[8]-[9]相关研究报道的启发，清华大学的王健等团队成功设计出一种全新的通过催化剂控制的咪唑啉衍生物与联烯衍生物之间的[5 + 2]环加成反应方法学 (Scheme 1c)。

首先，作者采用联烯衍生物1a与咪唑啉衍生物2a作为模型底物，进行相关反应条件的优化筛选 (Table 1)。进而确定最佳的反应条件为：采用Ph₃PAuCl作为催化剂，NaBArF作为添加剂，DCE作为反应溶剂，反应温度为60 ^oC，最终获得90%收率的高哌嗪产物3a。同时，作者进一步发现，采用FeCl₃·6H₂O作为催化剂，1,4-二氧六环作为反应溶剂，反应温度为60 ^oC，则最终获得94%收率的1,4-二氮杂二环[4.3.1]癸烷产物5a (>20:1 dr)。

在上述的最佳反应条件下，作者分别对于通过上述两种催化剂控制的[5+2]环加成策略中相关底物的应用范围进行深入研究 (Scheme 2-3)。

之后，该小组进一步对于其他联烯底物的应用范围进行深入研究 (Scheme 4)。该小组发现，联烯酸酯1a′与无电子效应偏倚的联烯1b′均无法参与上述的环化过程，仅有烷氧基联烯底物1c′，能够顺利完成上述的环化过程。

同时，作者选择六氢嘧啶底物6a，对于通过催化剂控制的[6+2]环加成反应过程进行进一步研究，并分别获得相应的1,5-diazocane产物7a (收率为36%)与1,5-二氮杂二环[5.3.1]癸烷产物8a (收率为9%，dr > 20:1) (Scheme 5)。

接下来，作者通过一系列相关的控制实验 (Schemes 6)研究表明，水对于分子间[5+2]环加成步骤无显著影响，然而，对于分子内Friedel-Crafts环化步骤的进行却十分关键。同时，该小组通过氘代实验 (Schemes 6c-6e)的相关研究进一步表明，水作为质子梭 (proton shuttle)，能够有效地促进Friedel-Crafts环化步骤中[1,3]-氢迁移过程的顺利进行。

基于上述的实验研究以及前期相关的文献报道^[10]-[11]，作者提出如下合理的反应机理 (Scheme 7)。

之后，该小组通过如下的一系列研究进一步表明，这一全新的立体发散性反应策略具有潜在的合成应用价值 (Scheme 8)。

总结：清华大学的王健等研究团队成功设计出一种全新的通过催化剂控制的咪唑啉衍生物与联烯衍生物之间的[5 + 2]环加成反应方法学，进而成功完成一系列N-杂环分子的构建。这一全新的立体发散性合成转化策略具有广泛的底物应用范围、中等至优良的反应收率以及良好的合成应用价值等优势。

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