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Nat. Chem.:立體選擇性高效合成β-取代的α-氨基酸

來源:化學加原創      2024-04-18
導讀:同手性(Homochiral)氨基酸是藥物合成中不可或缺的組成部分,也是構建生物活性分子的基礎。然而,傳統的合成方法主要集中在控制α-立體中心上,而對于具有-立體中心的α-氨基酸的合成則相對困難。β-立體中心對于生物活性分子的構象和性質具有重要影響,因此具有β-取代的α-氨基酸的合成具有重要意義。然而,迄今為止,合成這類化合物的方法相對有限且復雜,大多數方法需要復雜的前體或特殊的條件。一些先前的研究表明,通過生物催化或不對稱合成方法可以合成一些具有β-立體中心的α-氨基酸,但這些方法通常存在局限性,并且不適用于所有的底物。 為此,英國利物浦大學John F. Bower教授團隊提出了一種新穎的銥催化方法,該方案可實現簡單烯烴和甘氨酸衍生物的直接上轉換,以產生具有特殊水平的區域和立體控制的β-取代的α-氨基酸。利用甘氨酸衍生物中的N-H單元作為引導基,實現了對鄰近羰基的烯醇化反應。所得立體明確的烯醇化物與苯乙烯或-烯烴交叉偶聯以安裝兩個連續的立構中心。該方法具有高度的區域選擇性和立體選擇性,并且具有完全的原子經濟性。這一方法提供了一種獨特的策略,可以直接合成具有β-立體中心的α-氨基酸,并為連續立體中心的安裝提供了新的思路。文章鏈接 DOI:10.1038/s41557-024-01473-5

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正文

圖1展示了一種針對甘氨酸衍生物和烯烴的導向烯醇化策略,實現了對甘氨酸基前體進行直接的立體控制的C-H烷基化。圖中a部分指出β-立體異構體α-氨基酸的合成難度,b部分描述了研究的目標方法,通過N-引導烯醇化實現對烯烴的立體選擇性和支鏈選擇性加成。c和d部分展示了傳統的α-羰基化方法,需要預功能化反應物;e部分則描述了現有的催化α-烷基化方法,但仍需要預形成的烯醇酸根或條件較苛刻。本文的方法依賴于甘氨酸基N-H單元作為導向基(I),通過銥催化的烯醇化將其轉化為幾何確定的同手性烯醇酸II。這一方法解決了合成β-取代的α-氨基酸的直接問題,提供了一種基于引導基的直接立體選擇性α-烷基化方法,同時為連續立體中心的合成提供了廣泛的交叉偶聯框架。下載化學加APP到你手機,收獲更多商業合作機會。

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圖1. 甘氨酸衍生物和烯烴的水烷基化偶聯的定向烯醇化策略,以合成具有挑戰性β-取代的α-氨基酸。
圖片來源:Nat. Chem.

作者為了尋找一種有效的反應條件,以將酰胺基系統與苯乙烯進行偶聯,從而合成具有潛在生物活性的化合物。在圖2中,研究者探索了不同反應條件下的反應優化和范圍研究結果。首先,作者以1a-1f和苯乙烯2a作為起始原料對反應進行了探索和優化。得到的最佳條件為:1f (1.0 equiv), 2a (2.0 equiv), Ir(cod)2BARF (5 mol%), L5 (5 mol%), 在1,4-二氧六環(0.5 M)中130 oC反應72小時,可以以93%的核磁產率,97.5:2.5 er,10:1 dr得到相應的氫-烷基化產物3fa。此外,反應溫度可以降至110 °C,仍然保持高效率。在反應范圍方面,作者發現,三級酰胺、二級酰胺、一級酰胺、酮均可順利實現此轉化,以54-85%的分離產率得到相應的氫-烷基化產物3fa-3oa。此外,芳基上可以兼容包括羥基、甲氧基、甲基、鹵素、三氟甲基等一系列官能團,以55-89%的產率得到相應的產物3pa-3wa。烯烴中的R2可以兼容不同取代的芳基、雜芳基以及二茂鐵等骨架,以40-98%的產率得到產物3fb-3os。該轉化還可以兼容藥物分子吲哚美辛(indomethacin)所衍生的烯烴2t,以63%的產率得到產物3ft,證明了此轉化的實用性。

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圖2. 烷基化過程的應用。

圖片來源:Nat. Chem.

作者在圖3中進行了對照實驗和機理研究,以解析酰胺基系統與苯乙烯之間的C-C鍵形成反應的機理。首先,作者通過對照實驗確認了C-C鍵形成需要Ir配合物、羰基單元和NHAr單元的存在。進一步,在優化條件下,將1f2a暴露于D2O存在的情況下,觀察到產物deuterio-3fa和起始物deuterio-1f的C2位置發生氘的插入,表明了烯醇化的可能性。此外,實驗結果顯示,反應中N-甲基基團也可能參與可逆的酰胺導向的C-H活化。接下來,作者對沒有Ir配合物存在的情況進行了控制實驗,結果表明在此情況下C2處不發生氘的插入,強調了Ir的關鍵作用。最后,作者進行了機理研究,提出了可能的反應機制。首先,N-H金屬化產生I,然后通過路易斯酸作用觸發烯醇化生成II。在此階段,Ir中心可能會發生去質子化,產生活性物種。碳金屬化然后通過π-配位激活烯烴,形成III。最終,IV經過質子去金屬化釋放產物??傊瑘D3揭示了酰胺基系統與苯乙烯之間的C-C鍵形成反應的關鍵步驟和可能機理,為該反應的深入理解和優化提供了重要線索。

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圖3. 機理分析。

圖片來源:Nat. Chem.

總結

John F. Bower 教授團隊提提出了一種新穎的方法,通過利用天然的導向官能團實現對烯烴的手性選擇性C(sp3)-H加成,從而實現了對β-取代的α-氨基酸的高效合成。作者設計了一種以甘氨酸衍生物為導向基的催化方法,實現了對碳?;衔锏闹苯酉┐蓟?,從而在單一操作中建立了新的C-C鍵和兩個連續的立體中心。這一方法不僅為合成化學領域提供了一種新的合成策略,還為藥物設計和合成生物學領域的研究提供了新的思路。通過這一研究,有助于進一步理解有機反應的機理,并開發出更加高效、環保的合成方法,為新藥物的發現和開發提供重要的技術支持。 

文獻詳情:

Fenglin Hong, Timothy P. Aldhous, Paul D. Kemmitt, John F. Bower. A directed enolization strategy enables by-product-free construction of contiguous stereocentres en route to complex amino acids. Nat. Chem. 2024. https://doi.org/10.1038/s41557-024-01473-5

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