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手性杂双金属催化环丙烷与芳香胺不对称开环反应
2019-10-03 10:48 芬香 次关注
               
原题目:手性杂双金属催化环丙烷与芬芳胺不合毛病称开环反应
            


▲第一作者:罗维纬 ;通信作者:Thomas R. Cundari;王鸿  

通信单位: University of North Texas  

论文DOI: 10.1021/acscatal.9b02523

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王鸿传讲课题组应用手性杂双金属 Lewis 酸催化剂完成了环丙烷与芬芳胺不合毛病称开环反应。机理研究包罗动力学试验和计算化学,验证了该反应经历了动力学拆分主导的 S N2 的反应过程。经过催化剂单晶结构确实认,和一系列稀土金属双催化剂的查询拜访,作者提醒了中间金属离子半径与开环反应催化活性的关系。

配景引见

自 2004 年 Akiyama 课题组和 Terada 课题组辨别报导了手性磷酸催化的不合毛病称 Mannich 反应以来 (Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 1566–1568;J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5356–5357) ,该催化剂作为一类有效的 Br?nsted 酸催化剂,在无机催化范围不时发扬着主要的感化。

随之而开展的是手性磷酸与金属催化剂的协同催化,而且与手性磷酸催化在必然水平上有着相反相成的关系。手性磷酸与金属催化剂的协同催化大年夜体上有以下几种类型:接力催化 (J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14452–14453) ,二 元酸催化 (Angew. Chem. Int. Ed.  2013 , 52, 9786–9790) ,阴离子导向催化 (Nat. Chem . 2012 , 4, 603–614) 和金属磷酸盐催化 (Chem.–Eur. J.,  2009 , 15, 6008) 。

比来,王鸿传讲课题组报导了手性金属磷酸盐和非手性金属Lewis酸经过转金属化感化构成了 C4 对称的手性双金属催化剂(图一),胜利完成了不饱和酮酸酯,芬芳胺和环酮类化合物的三组分不合毛病称氮杂 -Diels?Alder 反应 (J. Org. Chem. 2015 , 80, 7984–7993)。



▲图一,手性磷酸与金属催化剂的协同催化剂类型

研究出发点

环丙烷作为 1,3-分化子在不合毛病称开环反应或许环化反应上有着遍及的应用。在相干文献的报导中,如唐勇传讲课题组开辟的基于边臂计谋的手性金属恶唑啉催化系统可以很好地催化环丙烷与二级脂肪胺的开环反应(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134,芬香 9066–9069),冯小明传讲课题组开辟的手性金属双氮氧催化系统可以很好地催化环丙烷与二级芬芳胺的开环反应 (Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 227–230) 。它们均是今朝较为成熟的催化系统,缺少的地方是他们的催化反应均需在惰性气体气氛条件下停止,而且环丙烷与一级芬芳胺的直接开环反应并没有相干报导。基于此,我们测验测验将手性双金属催化剂应用在这类具有应战性的反应上。

图文解析

作者经过一系列反应条件的优化,在以 Y(OTf)3 和 (R)-Yb[P]3 作为催化剂,5 ? 分子筛和 H2O 作为添加剂,以 m-xylene 作为溶剂,可以较高收率和对映选择性地掉掉落开环产品(图二)。



▲图二,最优反应条件

在最优反应条件下,作者对该反应的底物普适性停止了查询拜访(图三)。关于环丙烷类底物,3-位代替的苯基环丙烷能给出特别好的收率和对映选择性,2-位和4-位代替的苯基环丙烷给出的结果均不抱负。关于芬芳胺类底物,供电子代替的苯胺能给出不错的收率和对映选择性,而吸电子代替的苯胺给的结果稍差。



▲图三,底物扩大

接着,作者对反应机理停止了研究(图四)。动力学试验标明该反应在双金属催化条件下是一个复杂 SN2 型动力学拆分反应,而不是静态动力学反应。



▲图四,动力学试验

同时,作者对催化剂结构停止了研究(图五)。作者初步测验测验培养 Y(OTf)3-Yb[P]3 的催化剂单晶,然则并没有胜利。作者转而培养 Yb(OTf)3-Yb[P]3 的催化剂单晶,该单晶结构提醒了 Yb(OTf)3 可以打断原本的 Yb[P]3 局部金属离子键,经过转金属化感化重组构成具有 C4 轴的双金属结构催化剂。



▲图五,催化剂单晶结构

因为稀土金属具有相似的原子半径和配位价态,同时为了越发清晰地了解稀土金属对该催化反应的感化,作者查询拜访了一系列稀土金属参与构成的双金属催化剂(图六)。经过它们的催化后果对比,作者猜想,因为 Sc3+离子半径太小,很难经过转金属感化构成双金属催化剂,因此关于该反应没有起到不合毛病称催化感化;而从 La3+ 到 Lu3+,随着离子半径的减小,反应的对映选择性在必然水平上是有所晋升的。Lu3+ 相较于 Yb3+ 离子半径固然更小,但 Lewis 酸性要更低,因此表现出稍差的反应活性和对映选择性。



▲图六,双金属催化剂的查询拜访

随后作者经过 DFT 计算发现在 Y-Yb 杂双金属催化剂中,(R)-构型的环丙烷上的双酯基偏向于和 Yb 配位活化感化,经过 SN2/质子转移机理,高对映选择性地掉掉落 (S)-构型的开环产品(图七)。个中 SN2 步调是该反应的决速和手性控制步调,这些与前面的试验数据是保持不合的。



▲图七,DFT 计算

除此以外,作者还对催化产品 3a 停止了衍生,可以较高收率地掉掉落了对映选择性保持的响应衍生化产品(图八)。



▲图八,衍生

总结与展望

王鸿课题组报导了一类新型的手性杂双金属催化剂,用于催化环丙烷与芬芳胺类化合物的不合毛病称开环反应。经过对反应机理的研究,作者揣摸出该反应经历的是一个 SN2 型的动力学拆分过程。经过对催化剂结构的研究,作者提醒了稀土金属参与的转金属化过程,而且较为系统地查询拜访了它们在开环反应中的催化活性。在相干的后续研究中,作者正在测验测验将该类催化剂应用到更多应战性的反应中。

课题组引见

Hong Wang received her bachelor degree from Shandong University in China in 1990. She obtained her PhD with Kevin M. Smith from UC. Davis in 2003. She conducted her postdoctoral research in James P. Collman group at Stanford University (2003–2005), and in Paul Wentworth Jr group at the Scripps Research Institute (2005–2007). She started her independent career as an assistant professor at Miami University in 2007. She was promoted to associate professor in 2013. She moved to University of North Texas in 2016, and was promoted to full professor in 2019. Her current research focus is on asymmetric catalysis through cooperative enamine-metal Lewis acid catalysis, and functional organic materials based on β-extended porphyrins.

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