酶促4+2和2+2环加成反应:区域与立体选择性的理解与应用

4+2和2+2环加成反应均是构筑环结构的重要有机化学反应,在复杂天然产物、手性药物的化学合成和生物合成方面有广泛的应用。发现、发展包括4+2和2+2在内的酶促环加成反应,是当前化学生物学研究的热点之一。近期,国际、国内研究团队相继报道了多个酶促4+2和2+2环加成反应,解析了环化酶的蛋白结构和催化机制,设计了新的环化酶,或通过定向进化实现了不同类型环加成反应的区域和立体选择性调控。相关研究为采用合成生物学的策略设计和优化新型环加成酶提供了理论基础和成功范例,有利于促进酶促反应在有机合成领域的应用。

不同取代基对传统烯烃亲电加成反应机制的挑战

氯鎓离子是经典的烯烃与次氯酸亲电加成反应中的重要中间体,经过此中间体的分步反应机制是教学烯烃亲电加成反应中介绍的唯一反应机制。然而,量子化学计算结果表明,烯烃的不同取代基会导致反应机制发生变化。被一般供电基团和弱吸电基团取代的烯烃与次氯酸先形成氯鎓离子中间体,再生成马氏产物;而当取代基具有与C=C双键形成p-π或π-π共轭的供电基团时,反应生成的是碳正离子中间体。中和强吸电基团取代的烯烃分别通过协同和亲核加成反应机制与次氯酸反应,生成反马氏产物。由此可见,教学烯烃亲电加成反应机制时,不能局限在传统的氯鎓离子中间体机制,关注机制的适用体系是非常必要的。

Zr-MOF固载聚离子液体对CO_(2)环加成反应的催化性能

通过无溶剂限域封装,将二溴对二甲苯和4,4′-联吡啶吸附至UiO-67材料微孔中,并原位聚合成聚离子液体PBpy-Br,得到兼具Br^(-),Zr-OH/Zr-OH_(2)和N杂环3种活性中心的复合材料PBpy-Br@UiO-67.采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、^(13)C核磁共振波谱(^(13)C NMR)、比表面积分析(BET)和热重分析(TGA)等手段对材料进行了表征,并将其应用于催化CO_(2)与环氧氯丙烷的环加成反应中.在单因素实验基础上,通过响应面优化确定的最佳反应条件为反应温度100℃、p_(CO_(2))=0.1 MPa、催化剂用量(质量分数)0.22%以及反应时间22 h.在该条件下,环氧氯丙烷转化率达99.6%,催化剂循环使用5次后,转化率仅下降2.3%.此外,对PBpy-Br@UiO-67的普适性进行了研究,将其用于催化其它环氧化物与CO_(2)反应,转化率均在50%以上.研究结果表明,PBpy-Br@UiO-67催化剂具有反应条件温和及催化效率高的特点,为CO_(2)的固定与转化提供了新催化体系.

人工Cu-TM1459金属酶催化不对称迈克尔加成反应

不对称迈克尔加成反应是合成手性化合物的重要反应,手性的构建一般由传统手性金属络合物催化完成,催化剂结构复杂,制备困难。人工金属酶可以利用生物大分子替代过渡金属手性催化剂,成为研究的热点。使用TM1459蛋白质支架,在原有的金属结合基序上理性引入两个组氨酸和一个羧酸盐面部三联基序,配位Cu2+,制备了人工Cu-TM1459金属酶。将其用于催化不对称迈克尔加成反应研究,Cu-H52A/H58E变体金属酶具有中等反应活性和较高对映选择性(e.e.值达58%)。进一步通过分子对接和催化机理研究对金属结合位点附近关键残基进行定点突变,I108A/C106V/K24E突变体催化该反应,产率99%,e.e.值93%。

3-羟基色酮的不对称Michael加成反应

3-羟基色酮骨架存在于大量天然产物中,其衍生物多具有重要的生理活性和潜在的药用价值,但目前对3-羟基色酮的不对称手性催化反应研究较少。为丰富3-羟基色酮的研究多样性,通过控制变量法对手性金鸡纳碱类催化剂、溶剂、温度、投料比、底物浓度和催化剂用量进行筛选,确定了最佳的反应条件:以化合物1a和2a的反应为例,0.10 mmol的化合物1a与0.12 mmol的化合物2a在Cat*5(10%,物质的量分数)的催化下,在1.0 mL的甲基叔丁基醚(MTBE)中于0℃下反应24~48 h。对底物进行普适性研究,以中等至优异的收率(71%~99%)和较好的对映选择性(56%~89%)获得了2-芳基3-羟基色酮衍生物。将对映选择性最高的产物3al(89%)进行30倍放大反应,能够以99%的收率和76%的对映选择性获得目标产物。所有化合物的结构经1H NMR,13C NMR, HPLC以及HR-MS(ESI)确证。

非均相单宁酸-锆介孔材料制备及其CO_(2)环加成反应催化性能

CO_(2)和环氧化物的环加成反应是一种有效且可持续的CO_(2)化工转化策略,其产品环碳酸酯在锂离子电池、高分子材料等领域具有广泛应用。其中环氧化物的开环被认为是该反应的关键步骤,因此构筑具有高效环氧化物吸附活化位点的催化剂至关重要。本文通过单宁酸与锆离子的配位作用,“一锅法”制备同时含有锆金属中心作为Lewis酸位点和酚羟基作为氢键作用位点的非均相单宁酸-锆介孔材料TA-Zr-2。XPS和环氧丙烷TPD-MS结果表明,与同为锆基多孔材料的UiO-66相比,TA-Zr-2的锆金属中心具有更强的Lewis酸性,对环氧丙烷具有更强的吸附活化作用。在TA-Zr-2的基础上通过冷冻干燥优化处理得到了具有更大比表面积和合适孔体积的TA-Zr-2-FD材料,25℃下催化性能提升1倍,24h的碳酸丁烯酯收率达97.6%。本文使用简单绿色的制备方法,构建了具有较大比表面积的单宁酸-锆介孔材料,锆Lewis酸位点和酚羟基氢键位点的耦合使其具有良好的环氧化物吸附活化作用,利于环氧化物的开环,使得该催化剂在25℃下表现出良好的CO_(2)环加成反应催化性能。

金催化联烯胺与烯基叠氮的加成反应构建α-烯丙基酮化合物

烯基叠氮是一类重要的有机合成中间体,被广泛应用于含氮杂环化合物的合成中,但将其应用于联烯胺的加成反应少见报道.利用金催化活化联烯胺形成的烯丙基正离子中间体与烯丙基叠氮化合物发生加成反应,进一步发生水解得到9个α-烯丙基酮衍生物,所得产物均通过红外、核磁共振以及高分辨质谱进行确认,其中,对化合物3i进行了X-单晶衍射,确定了其结构.该反应利用烯基叠氮作为亲核试剂,实现了联烯胺与其加成反应,丰富了联烯胺的反应类型.

改性MOFs材料在光催化CO_(2)环加成反应中的研究进展

综述了近年来金属有机框架(MOFs)材料在光催化二氧化碳(CO_(2))环加成反应中的研究进展。对CO_(2)在光催化条件下的环加成反应机制进行了分析,重点介绍了MOFs材料的4种改性策略,包括MOFs的结构缺陷、具有活性催化金属位点的MOFs、与半导体材料构建异质结以及助催化剂功能化的MOFs。基于CO_(2)环加成反应的研究现状,提出了MOFs及其复合材料在光催化领域面临的展望与挑战。

羧酸酯咪唑鎓盐催化CO_(2)与氧化苯乙烯的环加成反应

使用苯并咪唑、无水碳酸钾、乙腈溶剂与4-溴甲基苯甲酸甲酯进行反应生成1,3-双(4-苯甲酸甲酯)苯并咪唑鎓溴盐(MBBI^(+)Br^(-))。采用核磁共振氢谱(1H NMR)、红外光谱(IR)、热重分析(TGA)对制备的催化剂MBBI^(+)Br^(-)反应前后进行结构表征。结果表明:此催化剂在循环反应前后具有良好的稳定性。将MBBI^(+)Br^(-)应用于催化CO_(2)和氧化苯乙烯的环加成反应,在常压、催化剂用量为2%(摩尔分数)、反应温度为100℃、反应时间为24h的条件下,催化CO_(2)与氧化苯乙炔的环加成反应生成环状碳酸酯的产率达94%,且在循环5次实验后产率仍大于90%。

β,γ-不饱和-α-酮酸酯参与的[3+3]环加成反应:多取代四氢吡啶类化合物的多样化合成

多取代四氢吡啶类化合物是一类重要的含氮杂环骨架,广泛存在于天然产物中,还可以通过简单反应转化为其他含氮杂环化合物,因此其多样化合成方法始终是化学家研究热点。通过β,γ-不饱和-α-酮酸酯与烯胺类化合物的[3+3]环加成反应,对一系列含多个手性中心的多取代1,2,3,4-四氢吡啶类化合物进行了多样化合成,产率最高可达92%,非对映选择性最高可达>20∶1。

钯催化环加成反应构建中环化合物的研究进展

中环化合物(7—11元环)广泛存在于许多天然产物及药物等功能分子之中,这些分子因具有优异的生物活性及特殊的骨架结构等优点,展现出极其重要的药用价值,如常见的抗癌药物紫杉醇、抗菌药物Spiroxin A等。同时,这类化合物也对化学、医药以及材料等诸多领域产生了深远的影响。但受动力学和热力学因素影响,中环化合物的高效构建依然是一个严峻的挑战。在科研工作者们的不懈努力下,近年来发展出多个新型环加成反应催化体系,其中钯催化环加成反应凭借高效、高选择性和原子经济性等优点在该领域得到了迅猛发展。本文详细介绍了近五年国内外有关钯催化环加成反应构建中环化合物研究的最新进展,旨在为该领域的发展提供一定的帮助。

均相与多相催化剂在CO_(2)环加成反应中的研究进展

二氧化碳(CO_(2))是一种主要的人为温室气体,主要由化学、热电和钢铁工业以及运输等部门产生。大气层中CO_(2)浓度的增加是导致诸多环境问题的主要原因,如全球变暖、海平面上升和全球气温升高。然而,CO_(2)作为一种可再生、廉价和无毒的化学原料,可用来生产具有高附加值的化学品,进而降低碳浓度。五元环碳酸酯由于其优越的物理化学特性,如高沸点、高偶极矩和生物降解等性能而被广泛应用。由环氧化合物和CO_(2)合成环碳酸酯是迄今为止研究较多的方法。然而,由于CO_(2)的高热稳定性和动力学惰性,使其作为反应原料需要大量的能量投入,可能导致的结果是CO_(2)浓度是一个净增长过程。因此,利用CO_(2)作为C1构筑单元是一个长期的挑战。本工作基于CO_(2)固定反应机制,概述了各种类型的均相和多相催化剂在CO_(2)固定反应合成精细化学品环状碳酸酯中的研究进展,包括有机催化剂、离子液体、金属有机框架化合物、多孔有机聚合物等。目前,几乎所有类别催化剂均可以在室温和低压力下,以实验室规模成功地使用纯CO_(2)将其固定到末端环氧化合物上,对于非末端环氧化合物通过更高的温度和压力以实现相应转化。同时,分析了催化剂在多取代环氧化合物或生物衍生环氧化合物转化、低浓度CO_(2)转化和实现工业化三个方面所面临的挑战,并提出了未来相关研究努力的方向。

离子液体改性的金属有机框架材料催化CO_(2)与环氧化物环加成反应研究进展

离子液体改性的金属有机框架材料(MOFs@IL)作为一种高活性､高稳定性､易分离的新型催化剂在CO_(2)环加成反应研究中逐渐吸引人们的注意。从催化机理､合成策略､性能表现3个方面介绍了MOFs@IL材料在CO_(2)捕获及转化为环状碳酸盐领域最新研究进展,并对未来发展方向进行总结和展望。

催化邻羟基苯基取代对亚甲基醌与酮亚胺环加成反应合成二氢-1,3-苯并噁嗪化合物

发展了邻羟基苯基取代对亚甲基醌与酮亚胺在磷酸催化体系中的[4+2]环加成反应,以高产率和优良的非对映选择性得到了一系列二氢-1,3-苯并噁嗪化合物.当向反应体系加入催化量的B(C_(6)F_(5))_(3)时,产物的产率得到保持且发生非对映选择性翻转.

环胺类联二萘酚配体对催化炔烃与芳基麟酰亚胺加成反应初探

本文发展了一种新的简便的方法,用于制备系列含环胺类骨架联二萘酚(BINOL-Cycloamine)配体。此类配体联合Et_(2)Zn可用于催化端基炔对N-二苯基膦酰亚胺的不对称加成反应,合成炔丙基胺类产物。其中筛选出的配体有效催化合成炔丙基胺类产物,产率高达85%,对映选择性ee值57%。

烯烃加成反应的教学

烯烃的加成反应是烯烃化学性质学习的一个重难点。本文以反应机理和电子效应为主线,进行烯烃加成反应的教学,将烯烃的加成反应分为催化加氢、亲电加成、亲核加成和自由基加成四个方面。其中,烯烃的亲电加成又根据反应中间体或过渡态分为碳正离子历程、鎓离子历程、汞鎓离子历程和四中心过渡态。该方法有助于学生根据中间体或过渡态的类型和稳定性,判断主产物和产物的立体选择性。多年教学实践证明,该教学方法显著提升了学生的自主学习能力和知识迁移能力。

[60]富勒烯环加成反应研究进展

综述了[60]富勒烯[2+1]环加成反应、[2+2]环加成反应、[2+3]环加成反应以及[4+2]环加成反应的典型反应、反应试剂以及反应机理,并展望了富勒烯的研究前景和发展方向。

金属-有机框架材料在硅氢加成反应中的应用研究进展

硅氢加成反应是指在一定条件下含有硅氢键的化合物与含不饱和键的化合物进行的加成反应,是构筑C—Si键的重要反应之一,在有机硅工业中具有举足轻重的地位。该文综述了近年来金属-有机框架(MOFs)材料催化不饱和烃、羰基化合物和CO_(2)的硅氢加成反应的研究进展,并针对每一种反应底物进行系统地总结与评述,最后指出了MOFs材料用于催化硅氢加成反应存在的问题,并对其未来发展方向进行了展望。

自由基正离子催化的Diels-Alder环加成反应研究进展

本文回顾了分子间Diels-Alder反应的定义和类型,详细总结了自由基正离子催化的Diels-Alder环加成反应方式,包括铵基阳离子、电化学、三价铁和光催化等方法,对不同催化体系的优缺点进行了说明。同时总结了自由基正离子Diels-Alder环加成反应的现状、面临的挑战,以及未来的发展趋势。

UiO-66衍生材料催化二氧化碳环加成反应研究进展

通过二氧化碳(CO_(2))与环氧化物的环加成反应可以将温室气体CO_(2)转化为有价值的化工产品环状碳酸酯,因而对该反应具有高效、高选择性的催化材料的开发一直是材料和催化领域研究的热点。UiO-66(University of Oslo,UiO)作为一种具有较高稳定性、较大开放性孔道的金属有机骨架材料(metal-organic framework,MOFs),在催化领域一直作为催化材料被广泛研究,但对于Lewis酸、碱催化的CO_(2)环加成反应,UiO-66通常需要在较为苛刻的反应条件下,或在离子液体类助催化剂或溶剂存在时才能展示出一定的催化效果。通过引入功能性基团、离子液体功能化、制造缺陷和与其他材料复合等手段可增加UiO-66框架的酸、碱位点含量,从而有效提高材料对CO_(2)环加成反应的催化性能。