人民大学闫晓宇团队: 无需导向基团的环丙烷衍生物 α-C-H 键酰基化

学术   科学   2025-02-06 10:55   英国  

研究背景

环丙烷骨架广泛存在于药物分子中,展现出优异的生物活性。环丙烷骨架中的碳原子高度共平面以及碳原子之间具备类似烯烃 π 碳碳双键的特性,使得环丙烷骨架表现为活泼的 C-C 键和惰性的 C-H 键的反应模式,因此对环丙烷骨架进行直接的 C-H 键修饰颇具挑战性。

研究内容

近年来,兰州大学徐森苗课题组和 Scripps 研究所余金权课题组等分别利用过渡金属(Pd, Ir 等)在导向基团和配体的作用下实现环丙烷骨架导向基团远端 β 位的直接 C-H 键的官能团化(芳基化、烯丙基化、硼化等),而对于导向基团近端 α 位的 C-H 键的直接官能团化鲜有报道 (Figure 1a)。
另外,由于环丙烷具有较大的环张力 (27.5 kcal/mol),近年来,在各种催化条件(Lewis 酸催化,过渡金属催化,光催化以及电催化)下,研究工作者将易开环的环丙烷作为一种优质 C₃ 单元,实现 [3+n] 环加成反应以及 1,3-双官能团化反应 (Figure 1b)。
基于环丙烷骨架在没有导向基团等反应条件下难于实现 C-H 键官能团的挑战以及环丙烷骨架易开环实现双官能团化的特点,近日,中国人民大学闫晓宇副教授带领研究团队利用去构化-重构化策略,在光催化协同氮杂卡宾 (NHC) 催化体系下首先生成环丙烷 1,3-双官能团化的中间产物,再利用碱性条件下消除其中一个官能团,重新构建环丙烷骨架,间接实现环丙烷衍生物 α-C-H 酰基化 (Figure 1c)。

  • Figure 1. 环丙烷衍生物的官能团化
在最优反应条件下,作者进行了系列的底物拓展 (Figure 2)。对于芳基酰基咪唑芳基上官能团的电子效应表现为给电子基团利于反应的进行,吸电子基团不利于产物的生成。与此同时,芳基酰基咪唑芳基上官能团的位阻效应对反应的产率影响较为明显,另外,烷基酰基咪唑也能以良好的产率得到相应的目标产物。

  • Figure 2. 底物拓展
为了进一步证明该策略的适用性以及潜在的工业应用价值,作者以自然界更为广泛存在的羧酸为起始原料,通过“一锅两步法”以优异的产率得到相应环丙烷 α-C-H 酰基化产物 3aa (Figure 3)。最后,该工作报道的去构化-重构化策略同样能够兼容氮杂卡宾催化的酯化反应体系,以 74% 的收率得到环丙烷 α-C-H 酯化产物 6。同时,作者利用酯的氨解反应,能够快速得到含鲁马卡托核心骨架的目标产物 7 (Figure 4)。

  • Figure 3. 以羧酸为原料的“一锅两步法”
  • Figure 4. 环丙烷的酯化和进一步转化

根据机理验证等实验结果,作者提出了反应机理 (Figure 5)。在蓝光下,激发态的光催化剂 [Ir(dF(CF3)ppy)2(dtbbpy)]PF6 (PC*) (Eox = −0.89 V vs. SCE) 被酰基唑盐 9’ (E1/2 = −0.81 V vs. SCE) 氧化淬灭得到氮杂卡宾衍生的酰基自由基中间体 IIIPC+。底物 1a (E1/2 = +1.35 V vs. SCE) 被 PC•+ (EPC•+/PC = +1.69 V vs. SCE) 氧化生成基态的光催化剂 PC 和中间体 I。紧接着,氯离子与中间体 I 反应生成烷基自由基中间体 II。中间体 II 和酰基自由基中间体 III 发生自由基-自由基耦联反应得到 γ-氯代酮中间体 IV。最后,在碱的作用下,通过亲核取代反应得到目标产物 V

  • Figure 5. 反应机理
该成果以“Cooperative Photoredox and N-Heterocyclic Carbene-Catalyzed Formal C-H Acylation of Cyclopropanes via Deconstruction-Reconstruction Strategy” (《通过去构化-重构化策略实现环丙烷衍生物 α-C-H 键酰基化》) 为题,发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上。

论文信息

  • Cooperative Photoredox and N-Heterocyclic Carbene-Catalyzed Formal C-H Acylation of Cyclopropanes via Deconstruction-Reconstruction Strategy
    Fan Gao, Tian Wang and Xiaoyu Yan*闫晓宇,中国人民大学)
    Chem. Sci., 2025, 16, 323-328
    https://doi.org/10.1039/D4SC06355D

作者简介

高凡 博士研究生
中国人民大学
本文第一作者,中国人民大学博士生,主要研究方向光催化协同氮杂卡宾催化的有机合成方法学,发展绿色、环境友好的合成策略实现各类有机小分子的酰基化反应。






闫晓宇 副教授
中国人民大学

本文通讯作者,中国人民大学副教授,博士生导师。2004-2013 年就读于清华大学,师从席婵娟教授。博士毕业后获得德国洪堡基金会资助,于 2014-2016 年在维尔茨堡大学 Braunschweig 课题组进行博士后研究。2016 年初回国并开展独立研究工作,组建配位化学与催化课题组,主要研究方向为主族元素化学及其有机催化反应研究。开展独立工作以来在 Chem, Chem Catalysis., Chem. Sci., Angew. Chem. Int. Ed. 等主流学术期刊上发表通讯作者论文 80 余篇。

期刊介绍

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Chem. Sci.

2-年影响因子*7.6
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CiteScore 分14.4
中位一审周期33 


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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

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