Angew | 基于手性有机铝复合物与镍催化C-CN键活化不对称合成茚衍生物

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( Indene )是一种重要的结构单元,又称为苯并环戊烯,在许多药物分子及材料分子中都含有该结构;茚三酮(Ninhydrin)可与一级胺、二级胺发生显色反应,并应用于氨基酸的鉴定;Sulindac是一种非甾体类抗炎药物,进入体内后代谢为活性形式可抑制环氧酶,减少前列腺素合成,发挥镇痛、抗炎解热的作用。

此外,含季碳中心的茚衍生物在天然产物及生物活性分子也有报道,这类结构中往往含有刚性环及较大的空间位阻作用,其不对称合成具有一定挑战。报道中,含季碳中心茚衍生物合成有两种方式进行。1)在茚结构中直接进行官能团的构建;2)过渡金属催化的环合反应构建茚环结构,引入取代基合成含季碳中心的茚衍生物;其中,通过环合反应构建含季碳中心的茚衍生物相比较容易实现,目前已有多个成功采用该策略合成出该结构的报道。尽管,该结构的合成方法上已经取得一定的发展,但使用易得芳烃化合物制备含季碳中心的茚衍生物的方法尚未有报道。

近日,南开大学叶萌春研究员及其合作者在国际知名刊物(Angew. Chem. Int. Ed.)报道了一种基于手性铝试剂和有机镍催化的C-CN键活化一步合成含季碳中心的茚衍生物,实现对该结构的高效、不对称合成,并采用DFT计算得到可能的反应历程

研究者首先使用5-甲基-2-(2-丙烯基)苯腈( 1a, 1equiv.)与双取代炔( 2a, 1.5equiv.)为原料,在Ni(cod)( 10mol% )作为催化剂、Phos( 10 mol% )为配体、L.A. (40 mol% )为路易斯酸、甲苯为溶剂筛选外消旋化的含季碳中心茚衍生物。其中使用条件Phos为Ph2PMe、L.A.为AlMe2Cl时(entry 7),得到消旋产物3a产率为96%。获得用于外消旋反应的最佳反应条件后,研究者探究了几种不对称合成策略。分析这几种合成策略存在产率低或对映选择性的缺陷,通过限制Ni-P键的旋转可提升对映选择性,多齿膦配体的使用又会限制反应的活性。继而,研究者猜想使用非手性单齿膦配体和手性有机铝配合的策略,提高反应的产率和对映选择性。

基于以上的假设,研究者设计探究了各种非手性单齿膦配体和手性铝复合物催化反应,制备含季碳中心的茚衍生物。研究发现当Ph3P(10 mol%)为非手性单齿膦配体,AliBu3和(R)-BINOL组成的1:2复合物时,反应的对映选择性出现明显提升(9% ee)。受此发现启发,然后研究者探究了一系列以Ph3P为非手性单齿配体下,筛选不同手性二醇化合物(L1-L8)替代(R)-BINOL对反应影响,发现其中L8取得最好的催化效果( 72%, 22% ee)。进一步的非手性单齿配体的研究发现,引入-OCH3后产率和对映选择性都有提升(p-OCH3,80%, 75% ee)。完成以上条件筛选后,在非极性溶剂正己烷和室温条件下,反应的得到进一步优化(86%, 92% ee)。

完成条件筛选后,研究者对底物进行了拓展。起始原料基腈中带有电中性取代基(3a-d)、供电子取代基(3e-g)的反应都有较好的耐受,得到较高的产率(62-90 %)及对映选择性(86-95 % ee),当与带有吸电子取代的苯腈(3h-k)反应,对映选择性有所降低;另外,双取代炔烃替换后,对称性的炔烃(3o3p3q)均顺利得到对应产物(70-78%,93-95% ee)。值得一提的是使用不对称炔烃进行反应,同样成功地得到对应产物,但反应产率有所降低(48%, 87% ee)。

最后研究者采用DFT计算反应的过程,并给出反应可能的反应历程(scheme 5a),反应经过多个中间体,其中中间体Int2生成的决定对映体的构型,同时为不可逆过程。经过DFT计算后验证Re-TS2的催化有利于S构型产品的生成,该计算结果与反应现象相符合。

总结:研究者开发出以较易得到的芳香苯腈和取代炔基作为起始原料,基于手性铝试剂和有机镍催化下C-CN键的活化,实现一步合成含季碳中心的茚衍生物。该方法可以实现对含季碳中心的茚衍生物的高效(32-91%)、不对称合成(73-98% ee),同时DFT计算得到了可能的反应历程。


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