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Angew. Chem. :手性路易斯碱催化不对称亲电硫代反应构建平面手性含硫大环化合物2024-03-03
手性有机硫化物由于其独特的理化性质,在生物药物、功能材料和有机催化等领域都有广泛的应用。手性有机硫化物的重要性推动了其高效快捷合成策略的发展,其中美国伊利诺伊大学厄本那-香槟分校Denmark课题组、我国中山大学赵晓丹课题组以及上海交通大学陈志敏课题组等研究团队对不饱和烃的不对称亲电硫代反应进行了深入研究,使其成为中心手性和轴手性有机硫化物不对称合成的重要手段之一。然而,利用该策略催化不对称合成平面手性有机硫化物却一直未有相关报道(图1a)。

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图 1. 催化不对称亲电硫代反应合成手性有机硫化物的研究进展

另一方面,平面手性大环化合物的不对称合成以及在天然产物、有机催化和医药等领域的应用近年来得到了越来越多的关注。一些高效的催化不对称合成平面手性大环化合物的方法陆续被报道出来。然而,相比于丰富多样的中心手性和轴手性化合物的不对称合成策略,平面手性化合物的催化不对称合成方法还较少且存在较大的局限性。

上海交通大学陈志敏课题组近年来一直致力于手性硫/硒化学研究,也一直在探索利用催化不对称亲电硫代反应构筑平面手性有机硫化物的合成策略。该类反应存在的主要挑战包括:(1)芳环上的富电子取代基会导致亲电硫代反应存在邻对位之间的区域选择性竞争;(2)柔性的烷烃链大环导致底物的构象可变性高,使得对映选择性的控制具有挑战性;(3)不同长度的烷烃链和不同取代基的芳环平面组合而成的底物会经历不同的反应过程,其中可能涉及动态动力学拆分(DKR)、动力学拆分(KR)和去对称化过程(Scheme 1b)。为了解决这些难题,陈志敏课题组提出了以下研究方案:(1)引入合适大小的含硫基团,不仅可以阻止芳环平面的自由旋转,也可以通过位阻作用使亲电硫代反应发生在导向基团的对位;(2)在催化剂中引入大位阻基团,以适配底物的柔性结构(Scheme 1c)。

近期,上海交通大学陈志敏课题组与上海有机所薛小松课题组合作,报道了一种手性路易斯碱催化不对称亲电硫代反应合成平面手性含硫大环化合物的方法(Scheme 1d)。

作者以[12]大环化合物2a为模板底物对反应条件进行了优化。条件优化过程中,作者发现邻位三氟甲基取代的芳基硫糖精试剂作为硫代试剂时(3e),能明显地提高产物的对映选择性;同时在催化剂中引入大位阻的叔丁基基团((S)-1b),进一步提高了产物的收率和对映选择性,这些实验结果与作者最初的研究设想相吻合(图 2)。

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图 2. 反应条件优化过程

获得最优条件之后,作者对该方法的底物适用性进行了考察(图3)。首先对不同链长的底物进行了反应尝试:当以[12]-[15]大环化合物为底物时,反应以动态动力学拆分的形式进行;继续增大烷烃链至16元环时,所得大环产物在室温下没有平面手性;而当采用[10]-[11]大环化合物为底物时,底物中芳环的阻转能垒高,反应则以动力学拆分的形式进行;随后作者又考察了底物芳环上导向基团的种类,结果都表现出优异的兼容性,值得注意的是,当使用对称性的底物时,反应以去对称化的形式进行。此外,该反应对一系列不同取代基的芳基硫试剂都表现出良好的适用性。

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图3. 底物拓展

为了验证该反应的实用性,作者还进行了克级反应(图4a)和产物的衍生化研究(图4b)。作者将药物片段(吉非罗齐、丙磺舒)修饰到底物当中,能在标准条件下得到相应的高对映选择性产物。同时,作者也对产物进行了药物片段(布洛芬、吲哚美欣)的后修饰,能够在对映选择性保持的情况下以高收率得到相应的药物衍生物。

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图 4. 克级反应和衍生化研究

对催化不对称亲电硫代反应合成平面手性含硫大环化合物的反应机理进行了研究(图5)。结果表明芳基硫试剂与底物芳环之间的π–π相互作用以及底物芳环与催化剂萘环之间的C-H···π相互作用在该反应的对映选择性控制中起到了至关重要的作用。芳基硫试剂中的三氟甲基主要通过位阻影响不同过渡态中的π–π相互作用等,催化剂中叔丁基基团的引入创造了更加适合底物的手性口袋,从而提高了反应的选择性。

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图5. 对映选择性来源的密度泛函理论计算

综上所述,上海交通大学陈志敏/上海有机所薛小松课题组合作首次报道了一种手性路易斯碱催化的不对称亲电硫代反应合成平面手性含硫大环化合物的方法。该方法采用了新型邻位三氟甲基取代的芳基硫糖精试剂,通过手性路易斯碱催化的不对称亲电硫代反应,实现了[10]-[15]平面手性含硫大环化合物的高效精准合成,并且对动态动力学拆分、动力学拆分和去对称化反应过程都能够很好地兼容。同时,密度泛函理论计算表明芳基硫试剂和底物芳环之间的π–π相互作用等在该反应的对映选择性控制中起着关键作用。

文信息

Enantioselective Synthesis of Planar-Chiral Sulfur-Containing Cyclophanes by Chiral Sulfide Catalyzed Electrophilic Sulfenylation of Arenes

Deng Zhu, Tong Mu, Ze-Long Li, Hui-Yun Luo, Ren-Fei Cao, Prof. Dr. Xiao-Song Xue, Prof. Dr. Zhi-Min Chen

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202318625

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