C(sp3)-C(sp3)直接偶联,无需过渡金属参与,条件极其简单,仅LiHMDS即可搞定@Nature

文摘   2024-12-09 08:03   四川  
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背景介绍
传统上,交叉偶联反应是有机金属试剂和电子受体之间的反应,从而合成了许多必需的分子。然而,其中一个偶联伙伴通常需要作为有机金属亲核试剂进行预官能化,这增加了步骤数量,并涉及处理潜在的敏感中间体。相比之下,近些年发现的交叉电子受体偶联反应(XECs,也就是通常所说的还原偶联反应)通过直接偶联两个电子受体伙伴来绕过使用有机金属试剂,XECs大多由过渡金属催化,依赖于外部化学计量还原剂来实现催化周转。通常,这些反应至少需要一个在反应位点具有C(sp2)杂化的偶联伙伴来控制化学选择性。通过XECs形成C(sp3)–C(sp3)键特别困难,但由于它们在有机分子中的普遍性,因此非常理想。例如,分子中C(sp3)原子的比例与药物候选物的临床成功率呈正相关,从而对C(sp3)–C(sp3)键形成反应的需求更加强烈。在过渡金属催化的C(sp3)–C(sp3) XECs中,形成自身偶联副产品而不是期望的异偶联产品的倾向是一个挑战。这种不希望的反应可以通过使用其中一个偶联伙伴的大量过量来部分减少,导致额外的浪费。加上过渡金属对经济和环境的负面影响,因此非常希望开发替代的无过渡金属策略。这不仅将避免后续应用中潜在的金属污染问题,而且还可以改善C(sp3)–C(sp3) XECs的范围,包括在许多金属催化条件下会反应或可能毒化金属催化剂的官能团。在这种情况下,最近出现了两个开创性的报告,它们使用电化学或酶促平台来实现这一极具挑战性的反应。这些方法依赖于从其中一个底物形成自由基或阴离子中间体,然后可以与第二个偶联伙伴进行C–C键形成。为了避免这些高反应性中间体的不希望的副反应,需要稳定的取代基(例如,酰胺或芳香族),这在本质上限制了这些方法的反应范围,并阻止了完全未活化底物的使用。
因此,迄今为止,两个完全未活化和未稳定的C(sp3)偶联伙伴的无过渡金属XEC仍然难以捉摸,清楚地突显了当前方法的局限性。因此,迫切需要设计具有战略区别的机械手性,以解决这些挑战,从而释放XECs在组装分子科学中普遍存在的C(sp3)–C(sp3)键的潜力。
本期小编就给大家介绍一种与XEC相关的前所未有的偶联的发现和研究,其中两个完全未活化的非有机金属C(sp3)片段在无过渡金属中顺利偶联。在立体位阻基的存在下,烷基膦盐与烷基卤化物反应,作为唯一的试剂产生偶联产物。机理研究表明,该反应是通过在受阻离子对中不寻常的单电子转移(SET)实现的,膦盐是有机合成中的关键试剂。(Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08195-1

图片来源:Nature 
反应探索
从下表可以看出,LiHMDS以外的碱,产率都比较低。反应在空气中进行时,差率也是极低。

图片来源:Nature 
底物范
在LiHMDS存在下,将膦盐与几乎等摩尔量的烷基卤化物反应,得到了大量C(sp3)–C(sp3)偶联产物,没有形成在过渡金属催化条件下有问题的自身偶联副产品。尽管反应最好使用烷基碘化物作为偶联伙伴,但烷基溴化物也以类似的产率得到产物(分别为12a的79%和81%)。烷基甲磺酸酯也能参与反应,并以相似的产率给出产物(6, 62%),为使用酒精起始材料在反应后经过简单的衍生化到相应的甲磺酸酯提供了机会。烷基氯化物也参与了反应,尽管产率较低(6, 32%)。醚、硅保护的醇和缩醛基团被很好地耐受(12b–d)。含有酰胺或叔丁氧羰基(Boc)保护的胺的底物以中等产率提供了所需的偶联产物(12e和12f)。在许多过渡金属催化条件下会反应的基团,即,芳香族卤化物(12g–i)和芳香族硼酸酯(12j),也得到了目标产物。该反应还耐受杂环如吩嗪(12k)、吲哚(12l)和嘧啶(12m)的存在。当使用联苄基碘化物11n作为偶联伙伴时,分离出螺环丙烷12n,产率为44%,而不是偶联产物。我们假设11n的相应苯乙烯通过快速的E2消除形成,现场形成的磷骈盐可以添加到其中。这将导致产生一个苄基碳负离子,可以与膦盐部分发生1,3-消除,形成环丙烷环。与11n相比,苄基溴化物11o以中等产率形成了所需的偶联产物12o,证明该反应可以用于偶联电子丰富的活化烷基卤化物以及未活化的烷基卤化物。此外,反应还可以在酸性基团如(12p和12s)、羧酸(12q)和未保护的氮杂吲哚(12r)存在的情况下进行,当在反应中使用额外的LiHMDS以补偿酸性基团的去质子化时。此外,含有激素雌二醇(11s)和药物分子奈韦拉平(11t)和甲苯磺酸钠(11u)的底物成功地参与了偶联反应。含有不同大小环烷基团的膦盐提供了烷基产物(12v–z)。小环膦盐比大环膦盐提供了更高的产率(12v和12w)。注意到这些反应中增加了烯烃副产品的水平,这可能来自烷基化膦盐中间体的Hofmann型消除。一系列含有官能团的非环膦盐,如芳香族卤化物或杂环,同样得到了相应的产物(12aa–12ag)。值得注意的是,膦盐11ad也参与了与碘甲烷的反应,以与含有更长链烷基团的产物12ad相同的产率提供了甲基化产物12ae。

图片来源:Nature 

为了进一步评估反应的官能团耐受性,进行了与不同添加剂的兼容性筛选(详见原文SI)。在许多过渡金属催化反应中已知会反应或抑制的几种官能团,如端烯、叔胺、吡啶和环氧化物,并未干扰反应。反应的限制包括硝基化合物和大多数羰基团,如酮,它们可以经历Wittig型副反应。然而,烯醚的添加并没有明显抑制反应,表明保护的酮可能在底物中是可行的官能团。
进一步应用
基于C-C键是通过磷骈盐的烷基化形成的知识点,作者还设计了一个正式的[1+n]环化的n-烷基膦盐13和1,ω-二溴烷14(图4a)。在这个反应中,NaH介导的磷骈盐烷基化发生两次,导致与标准反应中相同的叔烷基膦盐中间体3,然后在LiHMDS存在下可以发生C-P断裂。除了利用磷骈盐反应性的这个两电子过程外,还利用烷基自由基中间体的单电子反应性进行进一步的官能化。首先,能够用苯乙烯16拦截它,构建15中的季碳中心,一步形成两个新的C(sp3)–C(sp3)键(图4b)。类似地,在标准条件下加入杂环17,导致在产物18中形成额外的C(sp3)–C(sp2)键。利用叔烷基自由基与膦盐苯基团的氢原子转移步骤,含有全氘代苯基的膦盐(1-d15)的偶联导致形成单氘代产物12m-d。氘代是区域选择性的,即在起始材料中与磷结合的位置,而不是使用传统方法容易发生氘代反应的多个其他位置。在所描述的反应中,来自关键受阻离子对的自由基最终参与产物形成。设想这个自由基也可以通过原子转移过程介导其他开壳层中间体的形成,从而扩展这种化学的适用性。当烷基碘化物19和烯烃20在四苯基膦盐溴化物和LiHMDS存在下反应时,C-C键形成和产物21的形成。作者认为这个反应可能通过形成PPh4阳离子和HMDS阴离子之间的受阻离子对进行,这导致一个苯基自由基,可以与烷基碘化物19发生卤素原子转移步骤。
图片来源:Nature 
反应机理
基于一些机理实验,作者提出了一个可能的反应机制(图2e)。起始膦盐被LiHMDS去质子化,产生的骈盐迅速被烷基卤化物烷基化,产生α-叔烷基膦盐A。接下来,A和LiHMDS之间发生盐 metathesis,首先形成立体位阻离子对B。使用不同的碱HMDS进行的实验表明,锂离子的存在对于反应很重要,可能是因为LiX(X = Br或I)的形成作为盐metathesis步骤的驱动力。同样,添加12-冠-4到反应中,它选择性地结合锂离子,关闭了反应活性。使偶联反应成为可能的关键步骤是在受阻离子对B中从HMDS阴离子到膦盐阳离子的单电子转移(SET)。这种SET过程在膦盐卤化物中是众所周知的,可以通过紫外线照射或在含有强电子吸引取代基的膦盐中通过可见光激活发生。
图片来源:Nature 
实验操作
General procedure for the reaction of phosphonium salts with alkyl halides (GP1) Inside a glovebox filled with argon, an 8-mL screw-cap vial was charged with phosphonium salt (0.4 mmol, 1.0 equiv.), alkyl halide (0.6 mmol, 1.5 equiv.), LiHMDS (167.3 mg, 1.0 mmol, 2.5 equiv.), and dioxane (4.0 mL). The vial was capped, taken out of the glovebox, and stirred in a pre-heated heating block at 80 °C for 16 hours. After cooling to room temperature, the reaction mixture was loaded on silica and purified by column chromatography.


注:以上图片均来源:Nature 

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