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Nat. Catal.:銅催化烷基鹵的對映收斂二氟甲基化反應

來源:化學加原創      2024-12-16
導讀:近日,美國辛辛納提大學(University of Cincinnati)Wei Liu課題組報道了銅催化消旋烷基親電試劑的對映收斂二氟甲基化反應。該反應使用烷基自由基中間體,高效實現了含CF2H立體中心的構建。此策略通過使用銅催化劑結合帶有缺電子苯基的手性二胺配體和親核CF2H-鋅試劑來實現的。該方法可以將多種烷基鹵化物轉化為具有優異對映選擇性的烷基-CF2H類似物。機理研究揭示了一條涉及烷基自由基不對稱二氟甲基化和對映體決定步驟中關鍵的非共價相互作用的途徑。這種銅催化的二氟甲基化過程為高效制備含CF2H的藥物開辟了一條途徑。相關成果發表在Nat. Catal.上,文章鏈接DOI:10.1038/s41929-024-01253-x。

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(圖片來源:NatCatal.


正文

立體化學控制的氫鍵供體在制藥工業中發揮著重要作用。因此,連有二氟甲基(CF2H)手性中心的有機分子由于其獨特的氫鍵性質而成為藥物中的關鍵結構單元。然而,高對映選擇性的實現CF2H基團引入的通用策略仍然有待進一步發展。近期,美國辛辛納提大學Wei Liu課題組發展了一種通過烷基自由基中間體進行的對映選擇性二氟甲基化反應模式,高效實現了多種具有優異對映選擇性的含CF2H分子的合成。DFT計算表明手性二胺配體和底物之間的氫鍵和π-π相互作用是實現此轉化的關鍵。歡迎下載化學加APP到手機桌面,合成化學產業資源聚合服務平臺。

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(圖片來源:NatCatal.

首先,作者探索生物活性分子中經常出現α-鹵代酰胺的二氟甲基化反應。通過對反應條件和反應試劑的一系列篩選,作者發現當使用α-鹵代酰胺(1.0 equiv), (DMPU)2Zn(CF2H)2 (1.0 equiv), [Cu(CH3CN)4]PF6 (10?mol%), (S,S)-L* (20?mol%), iPr2O/DMPU (4/1)中,?40?°C 反應36?h可以以85%的產率和95%ee得到二氟甲基化產物1。值得注意的是,反應中所使用的親核CF?H鋅試劑(Vicic-Mikami試劑)以及連有缺電子苯基配體的使用是實現這一轉化的關鍵。此外,低溫反應條件是實現反應不對稱誘導所必需的。在得到了最優反應條件后,作者對此轉化的底物范圍進行了考察(Fig. 2)。實驗結果表明,一系列不同α-烷基取代、α-芳基取代以及具有不同氮取代基的烷基溴化物和烷基氯化物具有良好的兼容性,以41-90%的產率,良好的對映選擇性得到相應的產物1-55。其中包括烷基、烷氧基、酯基、鹵素、氰基、雜環、砜基、硫醚、芳基、雜芳基等一系列官能團均可兼容。

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(圖片來源:NatCatal.

為了證明此轉化的實用性,作者進行了合成應用(Fig. 3。首先,作者利用所得到的二氟甲基化產物分別實現了酰胺羰基的還原、脫PMP保護以及酰胺的水解等過程,且對映選擇性可以基本得到保持Fig. 3a)。此外,作者從相應的芐氯以87%的產率和87%ee合成了含CF?H酰胺59。其可以經歷兩步合成(S)-布洛芬的二氟甲基類似物61。值得注意的是,利用此策略還可以實現藥物和天然產物(BMS-270394pentanochloracebutolol)的CF2H生物電子等排體的合成(Fig. 3b)以及天然產物(oleic acidcholic acidlithocholic acid)的衍生化(Fig. 3c),證明了此轉化的實用性。此外,策略還可以成功應用在藥物的后期二氟甲基化(Fig. 3d):例如,化療藥chlorambucilγ-分泌酶抑制劑MK-0752可以轉化為相應的烷基溴化物(7476),并在標準條件下實現二氟甲基化,分別得到CF?H產物7548%95% ee)和7766%95% ee)。

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(圖片來源:NatCatal.

為了深入理解反應機理,作者進行了一系列控制實驗(Fig. 4)。首先,當作者使用含有環丙基的底物反應時,僅得到了三元環開環的產物。隨后,當作者在反應中加入自由基捕獲劑DMPO5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物)時,作者通過EPR(電子順磁共振)觀察到了自由基被DMPO捕獲的產物83,由此表明該反應中涉及烷基自由基中間體(Fig. 4a)。此外,當作者無論使用RS構型的光學純烷基溴底物84進行二氟甲基化反應時,均以相同的產率和ee得到了相同構型的二氟甲基化產物2,由此表明此反應經歷了一個對映收斂過程,而并非簡單的動力學拆分或動態動力學拆分過程(Fig. 4b)。

基于上述實驗結果,作者提出了此銅催化二氟甲基化反應的機理(Fig. 4c):。首先,二胺結合的銅(I)絡合物I與鋅-CF2H試劑發生轉金屬交換得到銅(I)- CF2H絡合物II。隨后,絡合物II與烷基親電試劑反應生成銅(II)絡合物III和有機自由基IV。接下來,自由基與絡合物III重新結合形成烷基-(III)-CF2H物種V,其經歷還原消除得到二氟甲基化產物并再生銅(I)催化劑。

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(圖片來源:NatCatal.

為了深入了解此二氟甲基化過程的對映選擇性來源,作者進行了DFT計算(Fig. 5)。計算結果表明決定對映選擇性的步驟是Cu(II)中間體到烷基自由基的基團轉移。并且形成R-構型產物的過渡態(TS-RER)與形成S-構型產物的過渡態(TS-RES)相比具有更低的反應能壘。此外,在C-CF?H鍵形成步驟中,自由基與配體之間的氫鍵和π-π相互作用決定了自由基與Cu(II)中間體接近時的構象,因此會得到特定結構的Cu(III)中間體。

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(圖片來源:NatCatal.

此外,該方法還可以已成功地擴展到α-溴代酮,以52-66%的產率,76-94% ee得到對映體富集的α-CF2H89-96Fig. 6)。值得注意的是,富電子芳基酮(95)與電中性的芳基酮(9496)相比,表現出更高的對映選擇性,這可能是由于更強的π -π相互作用所致。鑒于酮羰基的反應性,這些產物還可以進一步構建其它含CF2H的立體中心,包括二氟甲基化的仲醇(9798,通過NaBH4還原),酯(99,通過Baeyer-Villiger氧化)和叔醇(100101,通過格氏或有機鋰試劑)。最后,該方法還可以成功應用于α-溴代酯的二氟甲基化,盡管其可能由于較弱的非共價相互作用而具有中等的對映選擇性。有趣的是,當使用含有七氟異丙基(C3F7)的手性二胺配體LL*反應時對映選擇性有了一定的提高,可能是其調節了配體與底物之間的非共價相互作用所致。 

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(圖片來源:NatCatal.


總結

Wei Liu課題組報道了銅催化高對映選擇性的二氟甲基化方法,可以實現一系列含有CF2H分子的合成。此反應強調了使用親核氟烷基試劑對烷基自由基中間體進行對映選擇性官能團化的優勢。更重要的是,烷基自由基的不對稱二氟甲基化的成功實現為構建含有CF2H和其它氟烷基的立體化學中心開辟了一條新的途徑。通過對手性胺配體的氫鍵和π -π相互作用策略的使用有望促進不對稱轉化的發展。

文獻詳情:

Enantioconvergent copper-catalysed difluoromethylation of alkyl halides.
Decai Ding, Lingfeng Yin, Andrew T. Poore, Yeu-Shiuan Ho, Yu-Ho Cheng, Chi-Tien Hsieh, Stephen C. Yachuw, Rachael M. Knieser, Jeanette A. Krause, Shiliang Tian, Mu-Jeng Cheng, Wei Liu*
NatCatal., 2024, 
https://doi.org/10.1038/s41929-024-01253-x.

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