中科大郭昌课题组JACS: 铜催化的氨基酸酯不对称二氟甲基化反应

▲第一作者：彭凌子

通讯作者：郭昌

通讯单位：中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学系

论文DOI：10.1021/jacs.1c02697

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近年来，各类二氟甲基化试剂（含氟甲烷类、TMS类、含氟羧酸类等）以高效、安全、经济的优点应用于二氟甲基化反应，但是不对称二氟甲基化反应目前鲜有报道。由于氨基酸类化合物具有独特的生物特性，并且α-二氟甲基氨基酸类化合物也具有潜在的药用价值，在氨基酸类化合物中引入二氟甲基在医药科学中具有很高的研究价值和应用前景。近日，中国科学技术大学郭昌教授（查看介绍）研究团队报道了一种高效的铜催化不对称二氟甲基化反应。该反应采用了廉价易得的工业原料二氟一氯甲烷作为二氟卡宾前体，使氨基酸酯以高收率高对映选择性转化为二氟甲基氨基酸类化合物。

背景介绍

二氟甲基基团在医药、农药等领域有着广泛的应用，随着人们对于各种二氟甲基化分子的需求日益增加，直接二氟甲基化转化成为有机合成的一个重要课题。然而通过高效利用低价值的工业原料（例如二氟一氯甲烷）来合成相应的有机氟化物在现代化学研究中仍是非常重要的任务。在碱的作用下二氟一氯甲烷能够转化为二氟卡宾物种，使之非常适用于合成结构多样的二氟甲基化化合物（图1A）。

α-二氟甲基氨基酸类化合物作为一种基本的生物分子，其具有特定的含氟官能团，并且能够使其靶酶失活，在多种细胞过程中发挥着关键作用（图1B）。通过这一机理途径可以将α-二氟甲基氨基酸类化合物设计为其他自杀抑制剂的潜在候选药物。例如，鸟氨酸脱羧酶（ODC）是多胺生物合成的关键调节因子，而ODC的异常表达是导致肿瘤发生的关键因素，使其成为治疗干预的可能靶点。而α-二氟甲基鸟氨酸（DFMO）作为一种ODC的抑制剂，具有一定程度抗癌和化学预防的潜在作用。然而DFMO的对映异构体及其外消旋体表现出不同的药理特性，其中手性DFMO表现出更加出色的药效。由于目前氨基酸类化合物引入手性二氟甲基难以实现，使得上述α-二氟甲基氨基酸类药物仍以消旋体销售。因此，实现氨基酸立体选择性二氟甲基化的合成催化方法可能对新药物的发现和开发具有促进作用。

▲图1 二氟卡宾形成以及二氟甲基氨基酸类化合物代表性应用

本文亮点

在温和的条件下，用廉价易得的工业原料二氟一氯甲烷作为二氟卡宾前体，通过铜金属配合物与醛亚胺氨基酸酯结合与二氟卡宾反应，得到高产率高对映选择性的二氟甲基化氨基酸类化合物，使之在医药等领域具有十分广泛的应用前景。

图文解析

我们首先去验证了在四氢呋喃（THF）中以Cs₂CO₃为碱的作用下铜催化醛亚胺酯和二氟一氯甲烷（HCFC-22）反应的可行性（图2）。在对手性配体进行筛选的过程中，使用(R,R)-L1配体时仅以9%产率、8% ee得到二氟甲基化产物2a（编号1）。各种配体结构对反应结果具有显著影响，当使用(S,S_p)-L3配体时，反应可以得到产率为51%、72% ee的产物2a（编号3）。通过对一系列Phosferrox配体的筛选，我们发现当使用(R,S,S_p)-L6配体时，反应可以得到产率为76%、96% ee的产物2a（编号6）。对照试验也表明铜催化剂、配体和碱都是反应发生的必要条件，在缺少任意反应组分的情况下，无法得到二氟甲基化产物2a（编号7-9）。

^aReactions were performed by using Cu(MeCN)₄BF₄ (10 mol%), L* (12 mol%), 1a (0.1 mmol, 1.0 equiv), HCFC-22 (1 M), and Cs₂CO₃ (1 mmol, 10 equiv) in tetrahydrofuran (THF, 1 mL) at 25 ^oC; hydrolysis with HCl (1 mol/L, 4 mL). ^bIsolated yields after chromatography are shown. ^cThe ee values were determined by chiral high-performance liquid chromatography (HPLC) analysis.^dIn the absence of Cu(MeCN)₄BF₄.

▲图2 反应条件优化

确定了最优条件之后，我们拓展了醛亚胺酯底物范围（图3）。从天然或者非天然氨基酸衍生的醛亚胺酯在手性铜催化剂的作用下能够以高产率和对映选择性（高达98% ee）形成产物2a。从丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、天冬氨酸和谷氨酸衍生的烷基取代醛亚胺酯以52-76%的产率和90-97% ee 转化为相应的二氟甲基氨基酸酯2a–2e。此外，高苯丙氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸和藜芦酰甘氨酸衍生的醛亚胺酯也可以转化为相应二氟甲基化产物（2f–2j）。值得一提的是，我们通过产物2k发现，C-二氟甲基化和O-二氟甲基化过程都同时发生。此外，烯丙基甘氨酸和苯甘氨酸衍生物也能够转化为相应的二氟甲基化产物（2l–2o），具有良好的对映选择性（96-98% ee）。与此同时，二氟甲基化产物2的相反构型可以通过在使用配体(R,S,S_p)-L6的相反对映体来获得。

▲图3 醛亚胺酯底物拓展

此外，尽管各种酮亚胺酯在二氟甲基化转化中产率有所下降，但是它也能够转化为高对映选择性的不对称二氟甲基化产物（图4）。

▲图4 酮亚胺酯底物拓展

特别地，α-二氟甲基鸟氨酸(DFMO)已经被证实对非洲嗜睡病的治疗是有帮助的，并且DFMO的结构对其治疗作用至关重要。因此，用简单高效的方法不对称合成高对映选择性的DFMO在药物化学领域具有重要的应用价值。通过我们的标准条件以及后处理，我们能够得到具有高对映选择性的DFMO。对鸟氨酸衍生的醛亚胺酯1u进行不对称二氟甲基化反应，并在还原条件下得到中等产率相应的二氟甲基化还原产物2u，具有良好的对映选择性（96% ee）。同样地，使用1M HCl水解后，能够得到56%产率、96% ee的二氟甲基氨基酯2v。随后通过进一步水解，得到产率为98%的(R)-DFMO。相反，在使用配体(R,S,S_p)-L6的相反对映体时，能够得到具有相反绝对绝对构型的二氟甲基化产物（图5）。

▲图5 衍生应用DFMO的合成

为了研究催化机理，在铜催化过程中使用了醛亚胺酯1m的外消旋体和两种对映体（图6）。手性配体(R,S,S_p)-L6有效地控制了产物2m的绝对构型，而与起始亲核试剂1m的立体化学无关。随后我们发现，10分钟内手性亚氨基酯(R)-1m在Cs₂CO₃作用下会快速外消旋化（图7）。

▲图6 验证原料构型对产物构型影响

▲图7 (R)-1m快速消旋化过程

当进行氘代实验时，我们能够得到10%产率的氘代产物2a’（40% D），表明产生了游离二氟卡宾物种（图8）。自由基抑制剂（TEMPO或BHT）的加入对反应结果几乎没有影响，因此排除了自由基机理的可能性。

▲图8 氘代实验

此外，非线性效应研究揭示了产物2a的ee与膦配体L6的对映体纯度之间的线性关系，表明单个手性配体可能参与了对映体决定的过渡态（图9）。

▲图9 非线性效应研究

为了进一步明确活性催化剂，在氩气条件下合成了Cu(I)/(S,S_p)-L3 (I)，并通过X射线晶体学进行了表征（图10）。铜络合物I对醛亚胺酯1的不对称二氟甲基化反应的催化效率和对映选择性与标准反应条件相同。同时，我们在空气条件下得到四面体N,N,O,O配位Cu(II)络合物II（这已通过X射线晶体学验证）。然而，用铜配合物Ⅱ代替铜配合物Ⅰ作催化剂时，没有生成产物，从而证实了手性配体的关键作用。

综上所述，具有挑战性的不对称二氟甲基化反应通过两种反应性物种亲核的N-金属叶立德和亲电的二氟卡宾物种的产生而成功实现。如图10所示，通过醛亚胺酯1与铜络合物I的配位开始转化，然后在脱质子化后形成N-金属化亚胺叶立德（IV）。同时，HCFC-22在碱的作用下，生成亲电的二氟卡宾。此时，可作为手性碳基亲核试剂的N-甲基偶氮叶立德（IV）可与原位形成的二氟卡宾物种进行亲核加成反应得到中间体V，同时再形成活性铜络合物I。随后，V通过质子化和水解得到最终产物2，通过单晶X射线衍射分析确定了2h的绝对构型。

▲图10 可行的催化循环路径

总结与展望

综上所述，我们报道了一种以二氟一氯甲烷为原料的新型铜催化氨基酯衍生物对映选择性二氟甲基化反应。提供了一种简单高效获得高产率高对映选择性的季碳二氟甲基化氨基酸酯的方法。

作者介绍

彭凌子，中国科学技术大学郭昌课题组博士研究生。

王弘毅，中国科学技术大学郭昌课题组硕士研究生。

郭昌，中国科学技术大学教授，博士生导师。研究工作主要集中在不对称合成方向，以新型不对称催化研究为基础，发展惰性化学键的直接手性官能团化反应以及不对称电化学反应，建立手性催化模型，提高反应活性与选择性，并将这些方法学用于天然产物的合成，发展高效、原子经济性和环境友好的现代有机合成化学。