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成都大學李俊龍課題組JACS:NHC和光協同催化實現酮的分子編輯

來源:成都大學      2024-08-02
導讀:近年來,分子編輯已經成為一種強大的合成工具,可以最大限度地提高有機分子的結構多樣性。目前分子編輯策略大多應用于雜環系統,如實現原子插入、刪除或易位等。然而,將酮類底物高效轉化為其他類型的酮,從而允許對結構復雜的酮進行任意分子編輯,仍然是有機合成中一個尚未探索的領域。


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正文

近年來,NHC有機催化的自由基反應已經成為發現具有挑戰性和創新性反應的重要平臺,為有機催化的自由基合成開辟了一條全新途徑。成都大學李俊龍教授團隊一直致力于有機催化新反應的研究,近年來利用NHC有機小分子催化的自由基反應,實現了烯烴的氟烷基酰基化反應(Angew. Chem. Int. Ed. 202059, 1863-1870);利用其發展的氧化NHC自由基催化體系,完成了烯烴的雙羰基化和烷基酰化反應(Angew. Chem. Int. Ed. 202261, e202207824);結合1,5-HAT策略,完成了酰胺遠端C-H鍵的直接酰化反應(Angew. Chem. Int. Ed202261, e202116629);除了對sp3碳氫鍵的活化外,該團隊近期還巧妙應用氮自由基作為定位基,實現了超遠端sp2碳氫鍵的官能團化(Nat. Catal. 2024, doi: 10.1038/s41929-024-01194-5. 成都大學李俊龍課題組Nature Catalysis: NHC催化的超遠端芳基CH位點選擇性酰化反應);通過NHC/PC雙催化體系,實現了硼酸鹽與酰基氟化物的偶聯反應(Chem. Sci. 202213, 2584-2590),烷基硼酸與酰基咪唑間的交叉偶聯(ACS Catal. 202414, 3181–3190),以及結合1,2-硼遷移,合成一系列β-酰基硼化合物(Sci. Adv. 2024, doi: 10.1126/sciadv.adn8401,Science Advances:光加速的NHC催化1, 2-硼遷移酰化反應)等。此外,該團隊還利用氮雜環卡賓的雙電子途徑,實現了非活化鹵代烷烴的直接酰化反應(Angew. Chem. Int. Ed. 202362, e202309572,成都大學李俊龍課題組Angew:氮雜環卡賓(NHC)催化非活化烷基鹵化物與醛的直接酰化反應)。

最近,該團隊在NHC催化的自由基反應研究中取得了新進展:以酮為起始原料,經過預活化,將該中間體置于NHC/光雙催化體系中,以促進C-C鍵的裂解和隨后的再酰化過程,得到多種酮類產物。該體系可以實現“酮到酮”的催化轉化,進而實現了一種形式的“酮的分子編輯”。該策略能夠對酮類化合物進行任意修飾,克服了傳統方法對底物的高度依賴、修飾位點局限以及制備步驟復雜等缺點。本工作完成了一系列常規方法難以實現的酮類化合物的多樣性修飾,豐富了NHC自由基催化的反應類型,為具有復雜架構的酮類化合物的制備提供了一個綠色、簡潔、通用的方法。成都大學特聘研究員李青竹博士和2022級碩士研究生何美浩同學為本論文的共同第一作者,李俊龍教授為該論文的通訊作者。

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Figure 1. Background and research motivation for molecular editing of ketones.

該團隊首先以簡單甲基酮1a為起始底物,與鄰氨基苯甲酰胺快速縮合完成預活化,得到中間體2a;隨后,將該中間體2a與底物3a作為模板底物,通過大量的條件篩選發現:在藍色LED燈照射下,采用氮雜環卡賓N1為有機催化劑,4CzIPN(PC1)作為光催化劑,K2CO3作堿,琥珀酰亞胺作為離去基團,MeCN作為溶劑時反應效果最佳,能以83%的產率得到苯基酮4

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Figure 2. Reaction development.

令人欣慰的是,該反應策略具有廣泛的底物普適性。就琥珀酰亞胺類底物而言,在其對位、間位或鄰位上具有吸電子或給電子取代基、稠環或雜環類的底物3都能順利進行反應;直鏈烷基、環烷基以及具有藥物骨架取代的底物3也都能與該催化體系兼容。隨后,該團隊測試了甲基酮上的不同烷基側鏈,發現芐基、直鏈、含有α-雜原子的烷基都能順利參與反應;此外(雜)環烷基、非環狀仲烷基以及叔丁基也可以順利進行反應。

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Table 1. Substrate scope of N-acylsuccinimide and methyl ketone substrates.

該團隊進一步展示了此策略的合成有用性。實驗結果表明烷基酮不僅可以轉化為芳基酮,也可以延長其烷基鏈,從而實現酮的同系化反應;大量的芳基酮很容易轉化為相應的烷基酮;更有趣的是,這種方法允許在酮上進行芳基部分的“微雕”。例如,不同的取代基可以精確地“安裝”在苯環的任何位置,從而形式上實現惰性芳基C-H鍵的選擇性功能化;使用該策略也可以“刪除”位于對位、間位或鄰位上的各種芳基取代基,芳基取代基也可以在苯環上“易位”;這種策略還能促進雜芳烴轉化為烷基或芳基,并能夠從雜芳烴中“刪除”取代基。此外,該方法可以很容易地實現雜芳烴的骨架編輯,如可以實現呋喃和噻吩之間的快速轉化。

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Table 2. Further demonstration of the synthetic significance of this method

該催化體系反應條件溫和,不僅具有廣泛的底物普適性,還具有重要的藥學研究價值。可直接用于多種酮類藥物和生物活性分子的官能團后修飾,如非甾體抗炎藥物萘丁美酮(Nabumetone)、芬布芬衍生物(Fenbufen derivative)、食品添加劑β-二氫紫羅蘭酮(Dihydro-β-lonone)、血管擴張藥物己酮可可堿(Pentoxifylline)、甾體類活性化合物孕烯醇酮醋酸酯(Pregnenolone acetate)、膽固醇吸收抑制劑依折麥布酮(Ezetimibe Ketone)等。

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Figure 3. Late-stage modification of drugs and bioactive molecules.

上述“酮的分子編輯”策略能夠進行放大反應,使用“一鍋法”也能很順利的進行反應。利用不同異丙基酮底物(89、531b)的混合物,可以同樣使用“一鍋”法進行匯聚式反應,能得到相同的酮產物37。該反應體系能夠允許酮兩側的側鏈都進行交換,產生一個結構完全不同的酮。上述實驗都進一步彰顯了本方法的合成實用性。

為了研究這種催化轉化的反應機理,作者進行了詳細的機理研究。首先,自由基抑制實驗和自由基鐘實驗表明:該催化反應可能涉及芐基自由基和與NHC結合的酮基自由基。使用預先合成的酰基唑95也可以獲得目標產物4,表明NHC有機催化體系原位生成的酰基唑鎓應該是NHC/PC催化反應的關鍵中間體。開關燈實驗和量子產率的測定表明該反應經歷了光催化自由基過程,而非鏈式反應過程。

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Figure 4. Further synthetic applications and mechanistic investigations.

基于以上研究,作者提出了該催化反應可能的機理。首先,4CzIPN光催化劑在藍色LED燈照射下被激發,并與來自酮底物的中間體2進行SET過程,產生自由基物種4CzIPN?-和自由基陽離子II的脫質子化導致N自由基物種II的形成,隨后形成喹唑啉酮副產物和以C為中心的自由基III。同時,酰基唑鎓IV由NHC和3a原位產生,其可以從4CzIPN?-接受電子,產生持久性自由基V。然后自由基III和自由基V之間發生交叉偶聯,釋放出酮產物。

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Figure 5. Proposed mechanism for the NHC/PC dual catalytic reaction.

更為重要的是,該團隊進一步通過控制實驗和密度泛函理論計算,揭示了區域選擇性的規律,并凝練出反應中自由基產生的優先順序為:芐基>O-穩定自由基>仲碳自由基>伯碳自由基>甲基/苯基自由基,為未來發展可編程的合成方法提供了理論參考。

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Figure 6. Studies on the regioselectivity to understand the rule of C-C bond cleavage.


總結

成都大學李俊龍課題組開發了一種全新的“酮的分子編輯”策略,能夠從形式上實現對酮類化合物的任意修飾。該催化體系克服了傳統方法對底物的高度依賴、修飾位點局限以及制備步驟復雜等缺點,完成了一系列常規方法難以實現的酮類化合物的多樣性修飾,為具有挑戰的酮類化合物的制備提供了一個綠色、簡潔、模塊化的方法。 

文獻詳情:

Molecular Editing of Ketones through N-Heterocyclic Carbene and Photo Dual Catalysis
Qing-Zhu Li, Mei-Hao He, Rong Zeng, Yuan-Yuan Lei, Zhao-Yuan Yu, Min Jiang, Xiang Zhang, Jun-Long Li*
J. Am. Chem. Soc. 2024
 https://doi.org/10.1021/jacs.4c08163

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