世界著名化学家

Matthew J. Gaunt

本文作者:石油醚

概要

Matthew J. Gaunt,英国剑桥大学化学系教授,有机化学家,高等合成与催化学术咨询委员会的成员,Yusuf Hamied 1702化学系主席。课题组主页:https://www.thegauntgroup.com/

经历

  • 1995年  伯明翰大学获得学士学位
  • 1999年  剑桥大学获得博士学位(Professor. Jonathan Spencer)
  • 1999年-2001年  宾夕法尼亚大学博士后(Prof. Amos B. Smith.)
  • 2001年-2003年  剑桥大学初级研究员(Prof. Steven V. Ley group)
  • 2003年-2006年  剑桥大学独立开始工作(Royal Society University Research Fellow)
  • 2006年-2010年  剑桥大学讲师
  • 2006年-2012年  剑桥大学读者
  • 2012年-至今     剑桥大学化学系教授
  • 2019年   Yusuf Hamied 1702化学系主席

获奖经历

  • 2019  RSC Synthetic Organic Chemistry Award
  • 2016  ACS Arthur C. Cope Scholar Award
  • 2015–2020 Royal Society Wolfson Research Merit Award
  • 2015  Novartis Lecturer Award
  • 2013  RSC Corday-Morgan Prize
  • 2011  Organic Reactions Lecturer
  • 2011  ERC Starting Investigative Research Fellow
  • 2010  EPSRC Leadership Fellow
  • 2009  AstraZeneca Award for Organic Chemistry
  • 2009  Chem. Soc. Rev. Emerging Investigator Award
  • 2008  Novartis Early Career Award in Organic Chemistry
  • 2008  Eli Lilly Young Lecturer Award
  • 2005  Dow Pharma Prize for Creativity in Chiral Chemistry

研究方向

Gaunt小组研究计划的总体目标是发明和利用新颖的化学反应概念,从而为有机合成提供新的解决方案,以解决基于小分子和生物大分子的挑战。目前课题组的研究集中在许多不同的化学领域:金属催化的C-H键活化,可见光介导的光氧化还原催化和光化学,高氧化态铜催化的对映选择性,复杂分子的合成与化学生物学,高通量实验与人工智能相结合,以驱动下一代化学合成。

1. 天然产物全合成

在天然产物的全合成中,一步构建多个C-C键以及多环,多官能化是全合成中的难点和热点。Gaunt小组采用串级反应1-3快速高效的构建一系列天然产物分子以及使用C-H键活化的策略4,5来构建天然产物的分子骨架(Fig.1)。

Figure 1天然产物全合成

2. C-H键活化

碳氢键活化(C-H activation)曾被称为有机化学中的“圣杯”,Gaunt教授在C-H活化领域展开了较多的工作。其工作重点是:在过渡金属Pd活化惰性“C-H”键,从而实现分子间或者分子内C(sp2)-H键、C(sp3)-H键的官能团化。C(sp2)-H键方面的代表作是:1)N未取代吲哚2位或3位的选择性官能团化反应6,7;2)室温下,苯甲醛亚胺的C-H键芳基化反应;3)芳烃分子内C-H键胺化反应8。而在C(sp3)-H键方面的代表作更多,其中包括:1)钯催化脂肪族胺的C-H键活化,构建三元9-11,四元12,以及五元13氮杂环;2)氨基酸配体促进脂肪族胺C-H键芳基化反应14,3)钯催化下脂肪胺ß-位C-H键羰基化来构建ß-内酰胺15;4)调节立体构型控制氨基醇上的脂肪族C-H键活化16;5)以非天然氨基酸作为配体,醋酸钯为催化剂,叔胺作为导向基团通过形成五元环钯中间体,实现了烷基叔胺γ-C(sp3)-H芳基化并具有较高的对映选择性17(Fig.2)。为了提高工作效率,Gaunt小组使用平行反应仪对反应进行筛选。(Fig.3)

Figure 2 C-H键活化

Figure 3 平行反应仪筛选反应

3. 光催化

在有机化学合成领域,光氧化还原催化反应也已经从实验室的神秘理论,一跃成为高效、绿色构建化学键的强有力反应体系,更可能为未来制药模式酝酿变革式创新。Gaunt教授在这方面的工作不多,都是精品(Fig.4)。其中包括:1)利用可见光介导的自由基策略,将廉价易得的三种工业原料——醛、仲胺和烷基卤代物转化为——相应的复杂叔烷基胺18,成功的解决 “羰基烷基胺化”十年困局((Fig.4A));2)通过三组分的光催化还原策略,实现了二烷基胺、羰基化合物与烯烃的三组分偶联,一步合成了结构复杂多样的三级烷基胺产物19(Fig.4B); 3)通过可见光介导的战略,实现脂肪族酮或醛与含有烯烃的仲胺一步构建 N螺环化合物20(Fig.4C)

Figure 4 光催化

4. 铜催化的芳基化反应

Gaunt教授长期以来致力于铜/手性双噁唑啉催化体系与二芳基碘鎓盐底物作用产生手性芳基亲电体的研究,手性Cu(III)-芳基中间体可与一系列亲核试剂如吲哚21、烯醇硅醚22,芳烃23,烯烃24,炔烃25,26等发生交叉偶联反应高效构建丰富多样的手性化合物。其中主要工作有:1)铜催化芳基化驱动的不对称Semi-Pinacol重排反应27;2)铜催化吲哚2号位或者3号位的芳基化21;3)铜催化对映选择性芳基化反应,构建P手性化合物28等(Fig.5)。

Figure 5 铜催化的芳基化反应

5. 化学生物学

在21种常见氨基酸种中,最容易标记的是赖氨酸(氨基),半胱氨酸(巯基),酪氨酸(酚羟基)因为这些基团反应性高。但是这些位点常常和蛋白活性相关,它们的标记可能会影响蛋白活性。而其他氨基酸种类,蛋氨酸是一个选项,其特征是有一个硫醚。硫醚有两种特性,其一是氧化还原性,另外一个是弱亲核性(相比于半胱氨酸的巯基)。因为其亲核性较弱,因而做到其选择性很难。Gaunt教授利用硫醚的弱亲核性,报道了高价碘试剂能和蛋氨酸快速,高选择性的反应形成diazo sulfonium。这个产物能在可见光光催化剂存在下从Hantzsch ester上夺取一个取代基,实现二次修饰29。(Fig.6)

Figure 6 化学修饰(图来自nature)

参考文献

  • [1] Reich, D., Trowbridge, A. & Gaunt, M. J.Rapid Syntheses of (−)-FR901483 and (+)-TAN1251C Enabled by Complexity-Generating Photocatalytic Olefin Hydroaminoalkylation. Angew. Chem. Int. Ed. (2020) 59, 2256-2261, doi:10.1002/anie.201912010.
  • [2] Williamson, A. E. et al.Rapid Generation of Complex Molecular Architectures by a Catalytic Enantioselective Dearomatization Strategy. Synlett (2016) 27, e2-e2, doi:10.1055/s-0035-1560377.
  • [3] Tissot, M. et al.Gram-Scale Enantioselective Formal Synthesis of Morphine through an ortho–para Oxidative Phenolic Coupling Strategy. Angew. Chem. Int. Ed. (2014) 53, 13498-13501, doi:10.1002/anie.201408435.
  • [4] Pitts, A. K., O’Hara, F., Snell, R. H. & Gaunt, M. J.A Concise and Scalable Strategy for the Total Synthesis of Dictyodendrin B Based on Sequential C-H Functionalization. Angew. Chem. Int. Ed. (2015) 54, 5451-5455, doi:10.1002/anie.201500067.
  • [5] Fox, J. C., Gilligan, R. E., Pitts, A. K., Bennett, H. R. & Gaunt, M. J.The total synthesis of K-252c (staurosporinone) via a sequential C–H functionalisation strategy. Chem. Sci. (2016) 7, 2706-2710, doi:10.1039/C5SC04399A.
  • [6] Grimster, N. P., Gauntlett, C., Godfrey, C. R. A. & Gaunt, M. J.Palladium-Catalyzed Intermolecular Alkenylation of Indoles by Solvent-Controlled Regioselective C-H Functionalization. Angew. Chem. Int. Ed. (2005) 44, 3125-3129, doi:10.1002/anie.200500468.
  • [7] Beck, E. M., Grimster, N. P., Hatley, R. & Gaunt, M. J.Mild Aerobic Oxidative Palladium (II) Catalyzed C−H Bond Functionalization:  Regioselective and Switchable C−H Alkenylation and Annulation of Pyrroles. J. Am. Chem. Soc. (2006) 128, 2528-2529, doi:10.1021/ja058141u.
  • [8] Jordan-Hore, J. A., Johansson, C. C. C., Gulias, M., Beck, E. M. & Gaunt, M. J.Oxidative Pd(II)-Catalyzed C−H Bond Amination to Carbazole at Ambient Temperature. J. Am. Chem. Soc. (2008) 130, 16184-16186, doi:10.1021/ja806543s.
  • [9] McNally, A., Haffemayer, B., Collins, B. S. L. & Gaunt, M. J.Palladium-catalysed C–H activation of aliphatic amines to give strained nitrogen heterocycles. Nature (2014) 510, 129-133, doi:10.1038/nature13389.
  • [10] Smalley, A. P. & Gaunt, M. J.Mechanistic Insights into the Palladium-Catalyzed Aziridination of Aliphatic Amines by C–H Activation. J. Am. Chem. Soc. (2015) 137, 10632-10641, doi:10.1021/jacs.5b05529.
  • [11] Smalley, A. P., Cuthbertson, J. D. & Gaunt, M. J.Palladium-Catalyzed Enantioselective C–H Activation of Aliphatic Amines Using Chiral Anionic BINOL-Phosphoric Acid Ligands. J. Am. Chem. Soc. (2017) 139, 1412-1415, doi:10.1021/jacs.6b12234.
  • [12] Cabrera-Pardo, J. R., Trowbridge, A., Nappi, M., Ozaki, K. & Gaunt, M. J.Selective Palladium(II)-Catalyzed Carbonylation of Methylene β-C−H Bonds in Aliphatic Amines. Angew. Chem. Int. Ed. (2017) 56, 11958-11962, doi:10.1002/anie.201706303.
  • [13] He, C. & Gaunt, M. J.Ligand-assisted palladium-catalyzed C–H alkenylation of aliphatic amines for the synthesis of functionalized pyrrolidines. Chem. Sci. (2017) 8, 3586-3592, doi:10.1039/C7SC00468K.
  • [14] He, C. & Gaunt, M. J.Ligand-Enabled Catalytic C-H Arylation of Aliphatic Amines by a Four-Membered-Ring Cyclopalladation Pathway. Angew. Chem. Int. Ed. (2015) 54, 15840-15844, doi:10.1002/anie.201508912.
  • [15] Willcox, D. et al.A general catalytic β-C–H carbonylation of aliphatic amines to β-lactams.  Science. (2016) 354, 851-857, doi:10.1126/science.aaf9621
  • [16] Calleja, J. et al.A steric tethering approach enables palladium-catalysed C–H activation of primary amino alcohols. Nat. Chem. (2015) 7, 1009-1016, doi:10.1038/nchem.2367.
  • [17] Rodrigalvarez, J. et al.Catalytic C(sp3)–H bond activation in tertiary alkylamines. Nat. Chem. (2020) 12, 76-81, doi:10.1038/s41557-019-0393-8.
  • [18] Kumar, R., Flodén, N. J., Whitehurst, W. G. & Gaunt, M. J.A general carbonyl alkylative amination for tertiary amine synthesis. Nature (2020), doi:10.1038/s41586-020-2213-0.
  • [19] Trowbridge, A., Reich, D. & Gaunt, M. J.Multicomponent synthesis of tertiary alkylamines by photocatalytic olefin-hydroaminoalkylation. Nature (2018) 561, 522-527, doi:10.1038/s41586-018-0537-9.
  • [20] Flodén, N. J. et al.Streamlined Synthesis of C(sp3)-Rich N-Heterospirocycles Enabled by Visible-Light-Mediated Photocatalysis. J. Am. Chem. Soc. (2019) 141, 8426-8430, doi:10.1021/jacs.9b03372.
  • [21] Phipps, R. J., Grimster, N. P. & Gaunt, M. J.Cu(II)-Catalyzed Direct and Site-Selective Arylation of Indoles Under Mild Conditions. J. Am. Chem. Soc. (2008) 130, 8172-8174, doi:10.1021/ja801767s.
  • [22] Bigot, A., Williamson, A. E. & Gaunt, M. J.Enantioselective α-Arylation of N-Acyloxazolidinones with Copper(II)-bisoxazoline Catalysts and Diaryliodonium Salts. J. Am. Chem. Soc. (2011) 133, 13778-13781, doi:10.1021/ja206047h.
  • [23] Phipps, R. J. & Gaunt, M. J.A Meta-Selective Copper-Catalyzed C–H Bond Arylation. Science. (2009) 323, 1593-1597, doi:10.1126/science.1169975
  • [24] Cahard, E., Bremeyer, N. & Gaunt, M. J.Copper-Catalyzed Intramolecular Electrophilic Carbofunctionalization of Allylic Amides. Angew. Chem. Int. Ed. (2013) 52, 9284-9288, doi:10.1002/anie.201303724.
  • [25] Suero, M. G., Bayle, E. D., Collins, B. S. L. & Gaunt, M. J.Copper-Catalyzed Electrophilic Carbofunctionalization of Alkynes to Highly Functionalized Tetrasubstituted Alkenes. J. Am. Chem. Soc. (2013) 135, 5332-5335, doi:10.1021/ja401840j.
  • [26] Collins, B. S. L., Suero, M. G. & Gaunt, M. J.Copper-Catalyzed Arylative Meyer–Schuster Rearrangement of Propargylic Alcohols to Complex Enones Using Diaryliodonium Salts. Angew. Chem. Int. Ed. (2013) 52, 5799-5802, doi:10.1002/anie.201301529.
  • [27] Lukamto, D. H. & Gaunt, M. J.Enantioselective Copper-Catalyzed Arylation-Driven Semipinacol Rearrangement of Tertiary Allylic Alcohols with Diaryliodonium Salts. J. Am. Chem. Soc. (2017) 139, 9160-9163, doi:10.1021/jacs.7b05340.
  • [28] Beaud, R., Phipps, R. J. & Gaunt, M. J.Enantioselective Cu-Catalyzed Arylation of Secondary Phosphine Oxides with Diaryliodonium Salts toward the Synthesis of P-Chiral Phosphines. J. Am. Chem. Soc. (2016) 138, 13183-13186, doi:10.1021/jacs.6b09334.
  • [29] Taylor, M. T., Nelson, J. E., Suero, M. G. & Gaunt, M. J.A protein functionalization platform based on selective reactions at methionine residues. Nature (2018) 562, 563-568, doi:10.1038/s41586-018-0608-y.
  • 本文版权属于 Chem-Station化学空间 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

Related post

  1. 森田浩介 Kosuke Morita
  2. 世界著名化学家 侯召民
  3. 世界著名化学家——寺田 真浩 Masahiro Terada
  4. 让-马里·莱恩 Jean-Marie·Lehn
  5. 詹妮弗·杜德纳 Jennifer Doudna
  6. 大村 智 Satoshi Omura
  7. 胡文浩
  8. Zachary T. Ball

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

广告专区

PAGE TOP