目前, 手性配體輔助鈀催化的區(qū)域和對映選擇性碳氫鍵活化是過渡金屬催化的前沿領域. 在過去的十年中, 它作為一種越來越重要的合成工具, 用于合成含有各種不對稱元素(中心手性、軸手性和平面手性)的手性分子, 也是快速構建各種碳碳鍵和碳雜原子鍵的最有效方法之一. 中國科學院福建物質結構研究所蘇偉平、洪茂椿團隊介紹了一些典型手性配體在鈀催化不對稱sp2和sp3碳氫鍵活化/官能團化反應中的應用, 如單齒配體亞磷酰胺、手性磷酸(CPAs)和雙功能氮端單保護的氨基酸(MPAAs)配體; 探討了這些手性配體輔助催化反應的創(chuàng)新性和特點, 在理清這一研究領域發(fā)展脈絡的同時, 展望了未來研究工作的方向. 此外, 本文還介紹了這一不對稱合成策略在天然產物、藥物分子全合成中的應用.
從簡單且來源豐富的原料出發(fā)合成復雜、高附加值的分子一直是有機合成化學的核心任務, 近二十年來, 圍繞這一核心任務發(fā)展起來的惰性碳氫鍵活化/官能團化研究進展迅速, 不斷為合成化學貢獻新方法、新反應、新思路. 從理論上講, 碳氫鍵的直接官能團化代表了一種便捷的、原子和步驟經濟的合成策略, 有可能從根本上改變逆合成分析的固有邏輯. 特別是過渡金屬催化的位置和立體選擇性碳氫鍵活化/官能團化反應, 是構筑碳碳鍵、碳雜原子鍵, 從簡單前體快速生成結構復雜化合物的可行方法, 已經在天然產物和藥物的合成中得到了應用.鈀是(立體選擇性)碳氫鍵活化反應最常用的過渡金屬, 這一領域有三種被廣泛認可的催化循環(huán)機制——Pd(0)/Pd(II)、Pd(II)/Pd(0)和Pd(II)/Pd(IV). 其中Pd(0)/Pd(II)循環(huán)機制大多在分子內反應得以實現(xiàn), Pd(0)先與鹵代芳烴發(fā)生氧化加成形成Pd(II), 再與分子內靠近的位點發(fā)生碳氫鍵活化; 后兩種機制往往需要導向基團將Pd(II)定位到需要活化的位置. 半個世紀之前, 科學家就已經注意到羧酸鹽對sp2碳鈀鍵形成的促進作用, 這一過程是碳氫鍵活化的基礎, 依據不同的實驗結果, 先后報道了三種主要的過渡態(tài)假說, 即歷經芳基正離子的親電鈀化、歷經Pd(II)/Pd(IV)的氧化加成和碳酸鹽/羧酸鹽協(xié)同脫質子. 在此基礎上, 近年來結合輔助計算逐漸形成了協(xié)同金屬化/去質子化(CMD)作用機理.配體的使用在碳氫鍵活化反應中起到舉足輕重的作用: 通過與金屬配位可以改變其結構和反應性, 降低反應的活化能; 手性配體通過自身的電子和空間位阻效應, 與底物、催化劑等配合實現(xiàn)反應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溶劑中的溶解度, 穩(wěn)定催化劑, 保持反應體系中活性物種的濃度. 總之, 配體可以輔助調節(jié)、控制碳氫鍵裂解以及碳碳鍵或碳雜原子鍵的形成.
中國科學院福建物質結構研究所蘇偉平、洪茂椿團隊聚焦幾類典型的手性配體——手性亞磷酰胺與磷酸, 以及氮端單保護的氨基酸在不對稱鈀催化碳氫鍵活化反應中的應用, 概述十余年來這一領域的發(fā)展情況以及面臨的挑戰(zhàn)（見下圖）. 除了文中介紹的手性配體、手性二茂鐵等高價值分子的不對稱合成, 科學家還在合成策略上不斷創(chuàng)新, 出現(xiàn)了如基于非共價鍵作用的配體模板、手性瞬態(tài)導向基團等一些新的研究方向, 為優(yōu)化反應的位置和立體選擇性, 降低預制導向基團的解離或轉化難度, 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)展更具合成價值的新反應, 提供了新的思路.
圖1 手性配體在鈀催化不對稱碳氫鍵活化反應中的應用
本文近期發(fā)表于《中國科學：化學》——“C?H鍵催化活化專刊”，點擊下方鏈接或“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稱碳氫鍵活化反應中的應用，中國科學：化學, 2021, 51(2): 123-143
