【科研进展】游书力组Nature子刊综述:过渡金属催化的不对称去芳构环化反应

文摘   科学   2022-03-18 16:30  

催化不对称去芳构化 (CADA) 反应提供了一种直接转化芳烃化合物的有效策略。其中串联去芳构化/环化反应是这些转化的一个重要子类,可快速获得各种多环骨架。鉴于天然产物和生物活性分子中广泛存在多元杂环骨架,该反应的实现就显得尤为重要,仅仅通过一到两步的级联反应就可以生成更高的复杂度和结构多样性。在这篇综述中,作者讨论了过去十年中过渡金属配合物(包括 AuIrPdCuRhNiZnTi V 配合物)催化的级联不对称去芳构化反应的代表性例子。密切关注吲哚和相关杂芳族化合物的去芳构化反应,重点是针对反应机理、底物范围和在全合成中的应用,以及局限性和未来可能的方向。



芳香族化合物是有机合成中基本的化学原料,去芳构化反应能够实现这些惰性芳烃的高效转换,得到高官能团化的中间体,极大地提升了产物的附加值,同时也拓宽了有机合成的思路。尤其是当去芳构化反应和环化反应串联起来的时候,芳烃类平面性的化合物能够转化为具有多样拓扑结构的多环骨架分子。这种高效的合成策略,能在药物发现和天然产物全合成中找到应用。




01

不同种类的去芳构环化反应


本综述中讨论的过渡金属催化的杂芳族化合物的去芳构化反应可分为以下四种反应类型,均使用吲哚进行描述。第一类过程涉及富电子吲哚与 1,n-偶极子 (n2) 的环化。该反应由吲哚亲核位点 C3 引发,生成二氢吲哚中间体。随后,该新形成的亚胺部分被来自1,n-偶极子的侧基亲核试剂捕获以完成环化。


第二种类型中,反应性是相反的, C3 取代的缺电子吲哚与 1,n-偶极在C2位点发生迈克尔型加成反应(n3)。然后,C3位点新生成的碳负离子对1,n-偶极中的亲电部分进行环化,完成了吲哚并环结构的生成。


第三种过程中涉及带有侧基亲核试剂的吲哚的级联环化。首先,吲哚C3位与外部亲电试剂反应产生中间体,侧基亲核试剂通过从C2 处攻击而发生分子内环化,从而产生相应的脱芳构化的多环化合物。


第四种反应类型涉及通过可见光促进的能量转移,生成激发态双自由基的吲哚,从而发生环加成反应。基态吲哚可以借助合适的光敏剂在可见光照射下被激发到更高能量的三重态。然后双自由基物质与合适的不饱和官能团进行环加成反应,得到高度官能团化的二氢吲哚。




02


吲哚环作为亲核试剂


【2+2】环化



【3+2】环化



4+2】环化





03


吲哚作为亲电试剂





04


吲哚连有侧链亲核试剂






05


可见光促进的吲哚环加成反应




06


展望


在过去的几十年中,不对称级联去芳构化反应极大地促进了有机合成和药物化学的发展。这一发展使合成大型复杂多环分子库成为可能。目前,通常使用“活化”芳烃,如吲哚、酚和吡啶。相比之下,“非活化”芳烃(如苯)的直接催化不对称去芳构化则相当有限。因此,需要大量研究来阐明克服非活化芳烃的内在惰性。此外开发新的催化体系也显得尤为重要,能够拓展所合成的化合物结构。此外,尽管有大量去芳构化反应,但这些方法在合成中的直接应用仍未得到充分探索。我们相信不对称级联去芳构化反应的进一步发展可以通过以下方式实现:实施可见光催化、电催化等相关技术。尽管可见光促进的去芳构化反应是构建高附加值的有效策略,但不对称反应的例子仍然是有限的,证明仍有重大障碍需要克服。总之,级联去芳构化通过提供具有前所未有的结构特征的新分子实体,显示出扩展化学空间的巨大潜力。进一步发展这一领域可能会突破有机合成的极限,并在药物化学和材料科学中找到应用。



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