目前, 手性配體輔助鈀催化的區(qū)域和對(duì)映選擇性碳?xì)滏I活化是過(guò)渡金屬催化的前沿領(lǐng)域. 在過(guò)去的十年中, 它作為一種越來(lái)越重要的合成工具, 用于合成含有各種不對(duì)稱元素(中心手性、軸手性和平面手性)的手性分子, 也是快速構(gòu)建各種碳碳鍵和碳雜原子鍵的最有效方法之一. 中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所蘇偉平、洪茂椿團(tuán)隊(duì)介紹了一些典型手性配體在鈀催化不對(duì)稱sp2和sp3碳?xì)滏I活化/官能團(tuán)化反應(yīng)中的應(yīng)用, 如單齒配體亞磷酰胺、手性磷酸(CPAs)和雙功能氮端單保護(hù)的氨基酸(MPAAs)配體; 探討了這些手性配體輔助催化反應(yīng)的創(chuàng)新性和特點(diǎn), 在理清這一研究領(lǐng)域發(fā)展脈絡(luò)的同時(shí), 展望了未來(lái)研究工作的方向. 此外, 本文還介紹了這一不對(duì)稱合成策略在天然產(chǎn)物、藥物分子全合成中的應(yīng)用.
從簡(jiǎn)單且來(lái)源豐富的原料出發(fā)合成復(fù)雜、高附加值的分子一直是有機(jī)合成化學(xué)的核心任務(wù), 近二十年來(lái), 圍繞這一核心任務(wù)發(fā)展起來(lái)的惰性碳?xì)滏I活化/官能團(tuán)化研究進(jìn)展迅速, 不斷為合成化學(xué)貢獻(xiàn)新方法、新反應(yīng)、新思路. 從理論上講, 碳?xì)滏I的直接官能團(tuán)化代表了一種便捷的、原子和步驟經(jīng)濟(jì)的合成策略, 有可能從根本上改變逆合成分析的固有邏輯. 特別是過(guò)渡金屬催化的位置和立體選擇性碳?xì)滏I活化/官能團(tuán)化反應(yīng), 是構(gòu)筑碳碳鍵、碳雜原子鍵, 從簡(jiǎn)單前體快速生成結(jié)構(gòu)復(fù)雜化合物的可行方法, 已經(jīng)在天然產(chǎn)物和藥物的合成中得到了應(yīng)用.鈀是(立體選擇性)碳?xì)滏I活化反應(yīng)最常用的過(guò)渡金屬, 這一領(lǐng)域有三種被廣泛認(rèn)可的催化循環(huán)機(jī)制——Pd(0)/Pd(II)、Pd(II)/Pd(0)和Pd(II)/Pd(IV). 其中Pd(0)/Pd(II)循環(huán)機(jī)制大多在分子內(nèi)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn), Pd(0)先與鹵代芳烴發(fā)生氧化加成形成Pd(II), 再與分子內(nèi)靠近的位點(diǎn)發(fā)生碳?xì)滏I活化; 后兩種機(jī)制往往需要導(dǎo)向基團(tuán)將Pd(II)定位到需要活化的位置. 半個(gè)世紀(jì)之前, 科學(xué)家就已經(jīng)注意到羧酸鹽對(duì)sp2碳鈀鍵形成的促進(jìn)作用, 這一過(guò)程是碳?xì)滏I活化的基礎(chǔ), 依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 先后報(bào)道了三種主要的過(guò)渡態(tài)假說(shuō), 即歷經(jīng)芳基正離子的親電鈀化、歷經(jīng)Pd(II)/Pd(IV)的氧化加成和碳酸鹽/羧酸鹽協(xié)同脫質(zhì)子. 在此基礎(chǔ)上, 近年來(lái)結(jié)合輔助計(jì)算逐漸形成了協(xié)同金屬化/去質(zhì)子化(CMD)作用機(jī)理.配體的使用在碳?xì)滏I活化反應(yīng)中起到舉足輕重的作用: 通過(guò)與金屬配位可以改變其結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性, 降低反應(yīng)的活化能; 手性配體通過(guò)自身的電子和空間位阻效應(yīng), 與底物、催化劑等配合實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的位置和立體選擇性; 有的配體還可以提高金屬催化劑在有機(jī)溶劑中的溶解度, 穩(wěn)定催化劑, 保持反應(yīng)體系中活性物種的濃度. 總之, 配體可以輔助調(diào)節(jié)、控制碳?xì)滏I裂解以及碳碳鍵或碳雜原子鍵的形成.
中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所蘇偉平、洪茂椿團(tuán)隊(duì)聚焦幾類典型的手性配體——手性亞磷酰胺與磷酸, 以及氮端單保護(hù)的氨基酸在不對(duì)稱鈀催化碳?xì)滏I活化反應(yīng)中的應(yīng)用, 概述十余年來(lái)這一領(lǐng)域的發(fā)展情況以及面臨的挑戰(zhàn)（見(jiàn)下圖）. 除了文中介紹的手性配體、手性二茂鐵等高價(jià)值分子的不對(duì)稱合成, 科學(xué)家還在合成策略上不斷創(chuàng)新, 出現(xiàn)了如基于非共價(jià)鍵作用的配體模板、手性瞬態(tài)導(dǎo)向基團(tuán)等一些新的研究方向, 為優(yōu)化反應(yīng)的位置和立體選擇性, 降低預(yù)制導(dǎo)向基團(tuán)的解離或轉(zhuǎn)化難度, 拓展底物適用范圍, 減少配體和催化劑的消耗, 降低成鍵或成環(huán)難度, 發(fā)展更具合成價(jià)值的新反應(yīng), 提供了新的思路.
圖1 手性配體在鈀催化不對(duì)稱碳?xì)滏I活化反應(yīng)中的應(yīng)用
本文近期發(fā)表于《中國(guó)科學(xué)：化學(xué)》——“C?H鍵催化活化?？?/strong>，點(diǎn)擊下方鏈接或“閱讀原文”可讀全文：杜宇, 黃永亮, 高越, 沈慧, 蘇偉平, 洪茂椿. 手性配體在鈀催化不對(duì)稱碳?xì)滏I活化反應(yīng)中的應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)：化學(xué), 2021, 51(2): 123-143
