四川大学彭强课题组(四川大学余达刚与叶剑衡课题组Angew)
四川大学彭强课题组(四川大学余达刚与叶剑衡课题组Angew)
2024-11-06 07:21:56  作者:紾惜祂  网址:https://m.xinb2b.cn/life/zct451712.html

导读

近日,四川大学余达刚与叶剑衡课题组通过连续光诱导电子转移(ConPET)策略,实现了可见光催化CO2参与的环胺化合物C-N键羧基化反应。同时,这也是氮杂环丁烷、吡咯烷和哌啶的首例光催化还原开环反应。其次,通过该策略可将多种易得的环胺转化为有价值的β-、γ-、δ-和ε-氨基酸,收率适中至优异。此外,该策略无需使用过渡金属催化剂,具有底物范围广泛、反应条件温和、选择性高和官能团耐受性良好等特点。机理研究表明,ConPET可能是生成高活性光催化剂的关键,使得环胺能够被还原活化,后续生成碳自由基和碳负离子作为关键的中间体。文章链接DOI:10.1002/anie.202217918

正文


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

二氧化碳(CO2)参与的羧基化反应是一种用于构建重要羧酸及其衍生物的有效方法。近年来,可见光催化由于具有绿色、条件温和且对环境友好等特点,被广泛运用于CO2参与的还原羧基化反应中,通过使用有机还原剂作为温和的电子供体,避免了敏感有机金属试剂的制备和使用,提高了反应的步骤经济性和实用性。然而,由于产生活性光催化剂过程中的能量损失,单光子吸收过程的光催化体系往往还原能力有限,很难实现惰性底物的羧基化反应(Scheme 1A)。相反,连续光诱导电子转移(ConPET)能够在单个催化循环中吸收两个光子,可作为解决上述挑战的一种有效策略(Scheme 1B),但人们很少将ConPET策略用于实现CO2参与的羧基化反应(例如最近报道的Nat. Catal. 2022, 5, 832-838)。

另一方面,氨基酸(AAs)是天然产物、药物、生物活性分子和材料等中常见的结构单元。除了α-氨基酸,其它种类的氨基酸,如β-、γ-、δ-和ε-氨基酸也因其在药物化学和有机合成中的广泛应用而备受关注(Figure 1)。然而,与α-氨基酸的众多合成方法相比,β-、γ-、δ-和ε-氨基酸的合成方法要少得多。由于环胺的开环反应是合成各种官能团化胺类化合物的重要方式,作者设想,能否开发一种通用策略来实现环胺中C-N键的还原羧基化反应,合成不同的氨基酸(Scheme 1B)。同时,由于CO2的热力学稳定性和动力学惰性,CO2是一种弱亲电试剂,环胺可能发生多种副反应,如环加成、还原质子化、自偶联、低聚和聚合反应等,都与所设计的羧基化反应高度竞争。尽管存在这些挑战,四川大学余达刚与叶剑衡课题组最近报道了首例可见光催化CO2参与的环胺类化合物C-N键还原羧基化反应,合成了一系列β-、γ-、δ-和ε-氨基酸衍生物(Scheme 1C)。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

首先,作者以N-Boc-2-苯基氮杂环丁烷 1a与CO2(1 atm)作为模型底物,进行了相关反应条件筛选(Table 1)。当以2 mol% 4DPAIPN作为光催化剂,DIPEA(2 eq.)作还原剂,Cs2CO3(1 eq.)作碱,30 W蓝色LEDs作为光源,DMAc溶剂中室温反应24 h后,盐酸淬灭,可以88%的分离收率得到产物2a


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

在获得上述最佳反应条件后,作者对2-芳基氮杂环丁烷底物1的范围进行了扩展(Table 2)。首先,当底物1中的PG为-Boc、-COOEt、-Piv以及-Bz时,均可顺利反应,获得相应的产物2a-2d,收率为70-88%。其次,当底物1中的芳基上含有不同电性的取代基时,也与体系兼容,获得相应的产物2e-2m,收率为58-95%。此外,含有萘基取代的底物1n,可以70%的收率得到产物2n。三环化合物1o,也是合适的底物,可以72%的收率得到产物2n,dr为2.6:1。含有三级C-N键的底物1p,也可以83%的收率得到产物2p


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

紧接着,作者对2-羰基氮杂环丁烷底物3的范围进行了扩展(Table 3)。研究表明,当底物3中的R为一系列烷基与芳基取代时,均可顺利反应,获得相应的产物4a-4l,收率为42-86%。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

同时,作者还对2-芳基氮杂环丙烷底物5的范围进行了扩展(Table 4)。首先,当底物5中的PG为-Boc与-Bz时,均可顺利反应,获得相应的产物6a-6b,收率为53-94%。其次,当底物5中的芳基上含有不同电性的取代基时,也与体系兼容,获得相应的产物6c-6k,收率为64-88%。含有三级C-N键(5l)或三环底物(5m),也是合适的底物,获得相应的产物6l-6m,收率为69-89%。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

值得注意的是,通过进一步条件的优化发现,一系列不同取代的吡咯烷和哌啶衍生物,均可顺利进行光催化羧基化反应,获得相应的产物8a-8j,收率为38-66%(Table 5)。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

随后,作者对反应的实用性进行了研究(Scheme 2)。首先,克级规模实验,同样能够以71%收率得到产物2a。其次,2a在酸性条件下脱保护后,可以定量的收率得到化合物92a在使用NaBH4进行还原后,可以91%的收率得到化合物1010经进一步的分子内环化脱水后,可以76%的收率得到环化产物112a在标准的多肽缩合条件下,可以83%的收率得到二肽122a经分子内的环化后,可以80%的收率得到2-吡咯烷酮产物13


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

为了进一步了解反应的机理,作者进行了相关的实验研究(Scheme 3)。首先,自由基捕获实验表明,反应可能形成了苄基自由基(Scheme 3A)。其次,氘代实验表明,反应过程中可能存在苄基碳负离子(Scheme 3B)。此外,当使用另一种亲电试剂(丙醛)来捕获碳负离子,可以66%的收率得到δ-氨基醇16(Scheme 3C)。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

同时,Stern-Volmer荧光淬灭实验表明,DIPEA对激发态光催化剂的还原淬灭更为有利(Figure 2A)。CV实验表明,1a很难被还原。同时,氮杂环丙烷和吡咯烷的还原电势也很低(Figure 2B)。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

此外,作者还通过19F NMR对ConPET的过程进行了研究(Figure 3)。首先, 3DPAFIFN与DIPEA难以发生有效的电子转移(step 1),需要在光照下形成激发态光催化剂3DPAFIFN*,才会与DIPEA发生电子转移,生成3DPAFIPN•−(step 2)。同时,3DPAFIPN•−无法有效地将电子转移到1h(step 3),而是进一步被光激发为3DPAFIPN•−*,才可与1h发生单电子转移(SET),转化为3DPAFIFN(step 4)。此外,1H NMR光谱与19F NMR光谱的实验结果一致,两者都支持ConPET过程存在于光催化C-N键的羧基化反应。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

基于上述的研究以及相关文献的查阅,作者提出了一种合理的催化循环过程(Figure 4)。首先,在蓝色LEDs照射下,PC可转化为激发态PC*,通过DIPEA进行还原淬灭,可生成PC•−和自由基阳离子DIPEA• 。PC•−可进一步吸收光子,生成PC•−*。1a与PC•−*经SET后,可生成自由基阴离子A,并再生PC。其次,中间体A经C-N键的断裂,生成苄基自由基B。随后,B在另一光催化循环中进行SET还原,生成苄基碳负离子C。最后,C对CO2进行亲核进攻,可生成目标产物。


(图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

总结

四川大学余达刚与叶剑衡课题组通过连续光诱导电子转移(ConPET)策略,实现了首例可见光催化CO2参与的环胺化合物C-N键羧基化反应,合成了一系列β-、γ-、δ-和ε-氨基酸。值得注意的是,该策略也是氮杂环丁烷、吡咯烷和哌啶的首次光催化还原开环反应。此外,该策略无需使用过渡金属催化剂,具有底物范围广泛、反应条件温和、选择性高、官能团耐受性良好、易于扩展等特点。机理研究表明,ConPET可能是生成高活性光催化剂的关键,使得环胺能够被还原活化,后续生成碳自由基和碳负离子作为关键的中间体。

文献详情:

Lin Chen, Quan Qu, Chuan-Kun Ran, Wei Wang, Wei Zhang, Yi He, Li-Li Liao, Jian-Heng Ye*, Da-Gang Yu*. Photocatalytic Carboxylation of C−N Bonds in Cyclic Amines with CO2 by Consecutive Visible-Light-Induced Electron Transfer. Angew. Chem. Int. Ed. 2023

  • 端午节为什么纪念屈原(端午节纪念屈原的原因)
  • 2024-11-06端午节纪念屈原的原因因为传说战国时期的楚国诗人屈原在五月五日跳汨罗江自尽,所以后来人们将端午节作为纪念屈原的节日端午节与屈原的联系:相传,屈原倡导举贤授能,富国强兵,力主联齐抗秦,遭到贵族子兰等人的强烈反对,屈原遭谗去职。
  • 电饼铛披萨怎么做家庭做法(电饼铛披萨如何做家庭做法)
  • 2024-11-06电饼铛披萨如何做家庭做法面粉,鸡蛋,酵母,各类蔬菜,番茄酱,干奶酪等将自己喜欢的菜洗净切丁,可以用土豆丝,香肠片,玉米粒,青椒粒和洋葱粒,可以根据自己的口味选择在面粉中加入适量酵母,然后倒入适量的水搅拌均匀用手把面粉揉搓成一。
  • 河豚怎么用技能(只要你扛住我的毒)
  • 2024-11-06只要你扛住我的毒河豚,一碰就生气,一生气就鼓成一只球的臭脾气鱼河豚发现自己被捞到岸上,生气,吞进一肚子的空气,把自己鼓成一只气球来吓唬你河豚在水里发现有大鱼要吃它,生气,灌进一肚子的水,把自己涨成一只水球给大鱼看如果。
  • 广东碌鹅配方(碌鹅的做法及配料)
  • 2024-11-06碌鹅的做法及配料第一步用清水将鹅洗净,沥干水,放一旁留着备用热油,爆香姜片,再加蒜蓉豆豉继续爆香,盛出备用锅里放油,油热后将鹅放入,把热油一遍遍往鹅身上浇过去等鹅变成金黄色,就可以暂时出锅,把锅里的油倒出将鹅再入锅,。
  • 周星驰一路辛酸历程完整版(周星驰请回答1990)
  • 2024-11-06周星驰请回答19901990年,绝对是周星驰爆发的一年在这一年,星爷带来了11部风格迥异的影片,有的他是主角光环,有的是配角抢演,有的是友情客串,总之,香港影坛正式进入了“两周一成”的黄金期图其中,比较有代表性的就是赌片。
  • s23战坦推荐(TD抗线中坦点灯这些坦克怎么都这么)
  • 2024-11-06TD抗线中坦点灯这些坦克怎么都这么▲坦克们的设计百花齐放!各位《坦克世界》的玩家们大家好,轻坦、中坦、重坦、TD、火炮,这是《坦克世界》中坦克的5个车型划分,理论上它们应该都有各自的特性,应该都符合自己的“定位”才对可总有这么一些“不。
  • 鳏寡孤独意思(鳏寡孤独解释)
  • 2024-11-06鳏寡孤独解释鳏寡孤独,汉语成语,拼音是guānguǎgūdú,意思是泛指没有劳动力而又没有亲属供养、无依无靠的人出自《礼记》曰:“少而无父者谓之孤,老而无子者谓之独,老而无妻者谓之鳏,老而无夫者谓之寡”“使老有所。
  • 荣耀双十一价格表(荣耀双十一优惠确认)
  • 2024-11-06荣耀双十一优惠确认失去华为这个“靠山”之后,荣耀并没有展现出自暴自弃的态度,反而是通过自己的努力在经历了一年时常的过渡期之后,重新夺回了属于自己的地位,并且相较于之前还有着一定的提升,而之所以会如此,这和荣耀这个品牌的。
  • 女士的法则理想之城豆瓣(女士的法则中隐藏着五位宝藏大叔)
  • 2024-11-06女士的法则中隐藏着五位宝藏大叔由江疏影、刘敏涛、彭昱畅领衔主演的电视剧《女士的法则》播出后,观众反响强烈因为剧情不拖沓,事件贴近现实,而且双女主的戏份也很有吸引力,所以这部律政题材的电视剧很哥想为您隆重推荐两位女主江疏影和刘敏涛都。
  • 婆婆因病住在女儿家好吗(婆婆因病住在女儿家)
  • 2024-11-06婆婆因病住在女儿家大家都知道这么一句话:“家有一老,如有一宝”若是家里能够有一位老人在身边,这是儿女们的福气,就好像我们常常说回到家里能够喊一声爸,喊一声妈,那就证明家在,能够给人一种踏实,安稳的感觉但是很多人却未曾听。