手性螺环配体及催化剂在不对称催化反应中的应用研究进展

金属参与的不对称催化反应是制备光学活性化合物的重要途径之一,其中新型手性配体的设计合成一直是不对称催化领域中十分关键且富有挑战性的课题.从20世纪90年代末开始,化学家们尝试在手性配体中引入螺环结构,创造性地发展了螺[4.4]壬烷骨架、螺双二氢茚骨架、螺[4.4]壬二烯骨架和螺二色满骨架等手性螺环单齿配体,多齿配体及其催化剂,并成功应用于不对称催化氢化、不对称碳碳键形成或碳杂键形成等不对称转化反应中,合成了众多富有价值的手性产品,有力地推动了不对称催化反应的工业应用化进程.本文综合评述了手性螺环配体的早期发现、发展历程以及近期的研究成果,介绍了螺环配体在药物及天然产物中的应用研究进展,并对手性螺环结构的小分子催化剂的研究进展进行叙述和说明.

新型螺环配体的合成及其在不对称催化氢化反应中的应用

以光学纯的S-2,2′-螺二氢茚-1,1′-二酮为原料,合成了新型螺环氧膦配体(1R,2S,1′S)-1,1′-双(二苯基膦氧)-2,2′-螺二氢茚烷(S-cis,trans-Sp iroB IP),考查了催化剂[Rh(COD)(R-cis,cis-Sp iroB IP)]BF4,[Rh(COD)(S-cis,trans-Sp iroB IP)]BF4和Ir(R-cis,cis-Sp iroB IP)(COD)C l在不对称催化氢化反应中的应用。

神奇的手性螺环配体

过渡金属参与的不对称催化反应是有机合成化学研究的前沿和热点.寻找和发现新颖配体骨架并开展新型高效的手性配体及催化剂的设计合成是不对称催化反应研究的核心内容.从20世纪90年代,特别是进入21世纪以来,螺环骨架手性配体受到了广泛的关注,并逐渐发展成为特色鲜明的手性配体类别.手性螺环配体的骨架已由多手性的螺[4.4]壬烷骨架发展到只具有单一手性的螺二氢茚和螺[4.4]壬二烯等螺环骨架类型,形成了包括手性螺环单磷配体、双膦配体、膦氮配体、双氮配体等丰富的手性配体库.这些手性螺环配体及其催化剂不仅在不对称催化氢化、不对称碳―碳键形成、不对称碳―杂原子键形成等多种类型的不对称催化反应中均表现出优异的催化活性和对映选择性,且使得许多原先难以控制对映选择性的不对称催化反应变得可能.而今,手性螺环结构已成为"优势结构",相应的手性螺环配体及其催化剂已被国内外同行广泛采用.手性螺环配体的兴起为手性催化剂研究增加了活力,极大地促进了不对称合成化学的发展.今后,手性螺环配体的研究除了将向新型、高效、高选择性手性配体及催化剂方向发展外,将其应用于新的不对称催化反应的对映选择性控制、以及应用于手性天然产物和药物的高效不对称合成将成为新的研究热点.

从碳中心到硅中心:手性螺环双膦配体研究的发展

手性螺环配体和催化剂已被公认是一类优势手性配体和催化剂。手性螺环配体的相关研究,促进了不对称催化领域的发展。根据螺环中螺原子的不同,将螺环分为碳中心和硅中心的螺环骨架,分别讨论基于碳中心的具有螺[4.4]壬烷骨架、螺二氢茚骨架、螺壬二烯骨架、螺二色烷骨架以及基于硅中心的手性螺环双膦配体的合成及在不对称催化反应中的应用,为今后发展新的不对称催化体系提供了重要参考。

手性螺环双氮配体在过渡金属催化中的应用进展

手性螺环是配体的优势骨架,基于螺环结构配体的研究有力地促进了不对称催化领域的发展.此综述针对基于手性螺环骨架的双氮配体,按照螺环骨架的类型进行分类,分别讨论了螺[4.4]壬烷双异噁唑啉(SPRIX)、螺二氢茚双噁唑啉(SpiroBox)、螺二色满双胺(SPANamine)或者双噁唑啉(SPANBox),以及螺环四氢吡咯-噁唑啉(SPDO)的合成和在过渡金属催化中的应用.尽管和功能强大、用途广泛的手性螺环膦配体相比,螺环双氮配体的种类和应用研究还比较有限,但是这些配体在酸性和(或)氧化反应条件下良好的稳定性以及在催化杂-氢键卡宾插入反应中优异的活性和选择性等特点,为今后发展新的不对称催化体系提供了重要借鉴.

螺[4,4]-1,6-壬二烯骨架手性双膦配体的合成

从方便易得的原料出发,以钯催化的烯基三氟甲磺酸酯与二苯基膦氧化物的偶联反应为关键步骤,合成了螺[4,4]-1,6-壬二烯骨架的手性双膦配体1.其中,关键中间体5的拆分是通过半制备手性液相色谱实现的,并通过该化合物的X射线单晶衍射分析确定了其中螺碳原子的绝对构型.配体(S)-1的Rh(I)络合物在α-乙酰氨基肉桂酸的氢化中表现出中等的对映选择性(53%ee).配体(S)-1的Cu(I)络合物能以较好的反应活性实现苯乙酮的不对称氢化,产物的对映体过量可以达到67%.

手性分子合成效率提至新高度

在2019年度国家科技奖揭晓的获奖项目中,被视为原创性最强、科学价值最高的自然科学奖一等奖,颁给了南开大学周其林院士研究团队的高效手性螺环催化剂的发现。该项研究成果发现了一类全新的手性螺环配体骨架结构,并在此基础上发展了一系列选择性好、转化效率高、适应性强的手性螺环催化剂,将手性分子的合成效率提高到一个新高度。

前列腺素D_(2)受体拮抗剂关键中间体的工艺改进

前列腺素D_(2)受体拮抗剂是治疗哮喘和过敏性疾病的潜在药物,其关键中间体合成方法尚不成熟。以N-乙酸叔丁酯吲哚和环状苯并磺酰醛亚胺为底物,自制的新型螺环噁唑啉为配体,路易斯酸为催化剂,通过催化的傅克烷基化反应制备了前列腺素D_(2)受体拮抗剂的关键中间体。配体筛选过程发现:不同的配体对反应的收率起到关键作用,其中螺环喹啉噁唑啉配体和三氟甲磺酸锌复合物催化的反应收率最高,且未产生开环结构的双吲哚副产物。通过对反应溶剂,底物物质的量比例,反应温度等反应条件的研究,确定了最佳的反应条件:以二氯甲烷为反应溶剂,N-乙酸叔丁酯吲哚和环状苯并磺酰醛亚胺物质的量之比为1∶1,0℃反应时,收率最高可达97%。该工艺反应条件温和,使用了廉价且环境友好的催化剂,避免使用传统工艺中腐蚀性和易制爆物料。

铜催化α-重氮酮对硼氢键的不对称插入反应

手性有机硼化合物在有机合成、医药、材料等诸多领域中有广泛的应用,发展该类化合物的高效合成方法一直广受关注.此前,我们发展了过渡金属催化卡宾对硼氢键(B—H)的插入反应,并实现了α-重氮酯对B—H键的不对称插入反应.本文以手性螺环双噁唑啉配体和铜的络合物作为催化剂,首次实现了α-重氮酮对膦-硼烷加合物的B—H键不对称插入反应,获得了较高的收率和高达83%ee的对映选择性.该研究成果是为数不多的以α-重氮酮作为卡宾前体的不对称杂原子氢键插入反应,为手性α-硼取代酮化合物这类新的有机硼化合物的合成提供了有效方法.

镍催化硅基保护烯丙醇的烯氢化反应:一种合成含有手性季碳中心高烯丙醇的有效方法

报道了一例手性螺环亚磷酰胺配体和镍的络合物催化的硅基保护烯丙醇的不对称烯氢化反应,以较高的收率(最高达97%)和对映选择性(最高达95%ee)合成了一系列含有手性季碳中心的高烯丙醇.该反应为含有手性季碳中心的双官能团化合物的合成提供了新的有效方法.