物質(zhì)科學(xué)
Physical science
芳胺是一種具有特殊骨架的有機(jī)分子,廣泛存在于藥物分子、農(nóng)用化學(xué)品和材料科學(xué)中。通過C-N偶聯(lián)獲得分子框架的經(jīng)典催化方法,往往以Pd0/II或CuI/II作為催化劑,以胺親核試劑與芳基鹵化物或芳基硼酸為底物進(jìn)行交叉偶聯(lián)。近年來,這些方法取得了巨大的進(jìn)步,但需要使用昂貴的催化劑和配體,嚴(yán)格的反應(yīng)條件,以及預(yù)功能化的芳香族化合物。當(dāng)芳香配合物難以合成,或者鹵化物/硼官能團(tuán)的引入受選擇性等問題(鄰位、間位、對(duì)位)影響時(shí),這些策略就難以發(fā)揮作用。因此,非功能化芳香族化合物的直接胺化方法應(yīng)運(yùn)而生,但是已經(jīng)報(bào)道的相關(guān)方法卻面臨著選擇性低和底物有限(僅限于富電子的芳香化合物和胺前驅(qū)體)的困擾。 近日,南方科技大學(xué)舒?zhèn)F(tuán)隊(duì)在芳基胺合成領(lǐng)域取得了最新進(jìn)展,作者報(bào)道了一種前所未有的光催化C-N偶聯(lián)、骨架擴(kuò)展和脫氫芳構(gòu)化合成芳胺的方法。具有不同取代基的各種伯胺、環(huán)胺和無環(huán)仲胺以及碘甲基環(huán)戊酮均適用于該策略,可直接從環(huán)戊酮中獲得N,N-二烷基和N-烷基芳胺。值得注意的是,游離氨基醇經(jīng)過選擇性N-芳基化可以合成N-單芳基化氨基醇。這一策略將吸引更多研究者通過骨架重排,從非芳香化合物構(gòu)建芳胺和其他芳香化合物。2024年1月5日,該工作以“Arylamine synthesis enabled by a photocatalytic skeletal-editing dehydrogenative aromatization strategy”為題發(fā)表在Cell Press細(xì)胞出版社期刊Chem Catalysis上。
要點(diǎn)1:芳胺合成新反應(yīng)模式 作者首先以α-碘甲基β-酮酯和嗎啉作為模型底物來測(cè)試這一方法的可行性(表1)。在對(duì)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化后,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的反應(yīng),并以4CzIPN和Co(dmgH)2PyCl為催化劑,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)率為13%的苯胺產(chǎn)物。對(duì)光催化劑的評(píng)估表明,使用Ru(Phen)3(PF6)2可將產(chǎn)率提高到33%。酸和堿的存在對(duì)于骨架重排/級(jí)聯(lián)以形成反應(yīng)產(chǎn)物至關(guān)重要。隨著DABCO負(fù)載的增加,產(chǎn)率進(jìn)一步提高。接著,作者發(fā)現(xiàn),選擇Co(dmgH)(dmgH2)Cl2作為催化劑可以進(jìn)一步將產(chǎn)率提高到60%。對(duì)酸使用的優(yōu)化表明,使用Br?nsted酸或Lewis酸作為添加劑有助于形成目標(biāo)產(chǎn)物。在Sc(OTf)3(40 mol%)存在下,該反應(yīng)產(chǎn)率可以達(dá)到81%。進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件,通過添加分子篩使產(chǎn)率提高到85%。 表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化 要點(diǎn)2:雙催化C-N偶聯(lián)/骨架擴(kuò)展/脫氫芳構(gòu)化 基于上述反應(yīng)條件,作者開始評(píng)估這種由胺和碘甲基環(huán)戊酮通過C-N偶聯(lián)/骨架擴(kuò)展/脫氫芳構(gòu)化過程合成苯胺反應(yīng)的普適性。作者首先評(píng)估了胺的范圍,多種環(huán)仲胺是生成目標(biāo)苯胺的良好底物(圖1)。哌啶是小分子藥物中最常見的氮雜環(huán)分子之一,在藥物前體的修飾中起著關(guān)鍵作用。作者發(fā)現(xiàn),具有不同取代基和不同電子性質(zhì)的多種哌啶與當(dāng)前的反應(yīng)條件是相適用的,并且能以良好的收率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的苯胺衍生物。值得注意的是,許多敏感的極性官能團(tuán),如α-伯/仲/叔游離醇、酮、游離氨基甲酸酯、游離酰胺和酯在反應(yīng)中耐受良好。 此外,另一種在藥物中廣泛存在的N雜環(huán)結(jié)構(gòu)——哌嗪,也可以高效轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的苯胺衍生物。值得一提的是,含N芳烴,如吡啶和嘧啶,也能夠以51%和65%的產(chǎn)率獲得相應(yīng)的苯胺。此外,無環(huán)伯胺和仲胺在反應(yīng)中具有良好的耐受性,以高達(dá)77%的收率生成相應(yīng)的苯胺。為了進(jìn)一步證明該策略的實(shí)用性,作者在溫和條件下成功地實(shí)現(xiàn)了天然產(chǎn)物的N-芳基化,而這通常需要在苛刻條件下使用親核芳香族取代或需要金屬催化C-N偶聯(lián)。 圖1 胺類的范圍 要點(diǎn)3:選擇性游離氨基醇的N-芳基化 氨基醇是藥物和具有生物活性的天然產(chǎn)物中常見的重要結(jié)構(gòu)元素。更重要的是,在藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)過程中,各種氨基醇衍生物作為候選藥物進(jìn)行生物學(xué)評(píng)價(jià)。鑒于氨基醇在藥物和有機(jī)化學(xué)中的重要作用,作者進(jìn)一步證明了該策略在游離氨基醇的后期修飾中的實(shí)用性(圖2)。游離氨基醇可以化學(xué)選擇性地進(jìn)行N-單芳基化,手性氨基醇經(jīng)過N-芳基化后仍能夠保持其對(duì)映體純度。在α-位置具有不同取代基的各種氨基醇都是該反應(yīng)的良好底物。氨基醇與仲胺和游離醇順利轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的苯胺。此外,游離氨基酯也可發(fā)生選擇性N-芳基化反應(yīng),生成相應(yīng)的苯胺。 文中,作者對(duì)具有不同取代基的α-碘甲基環(huán)戊酮與(S)-2-苯基甘二醇形成苯胺的反應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估。作者發(fā)現(xiàn)其他吸電子基團(tuán),如苯基、酮、腈和酰胺,也適用于該反應(yīng),這擴(kuò)大了Dowd-Beckwith反應(yīng)的范圍。其次,各種5-取代α-碘甲基-β-酮酯,包括伯烷基、仲烷基和叔烷基,都具有良好的耐受性。此外,作者還研究了不同的α-碘甲基-β-酮酯的反應(yīng)適用性,結(jié)果表明,不同的酯基,如乙基、異丙基、叔丁基、烯丙基和芐基,都能得到較好的苯胺產(chǎn)物。該策略還成功地應(yīng)用于復(fù)雜分子的后期功能化。 圖2 氨基醇和氨基酯的范圍 要點(diǎn)4:反應(yīng)機(jī)理探究 文中作者開展了系列探究反應(yīng)機(jī)制機(jī)理方面的研究(圖3)。首先,碘甲基環(huán)戊酮與胺在酸催化劑作用下縮合生成胺中間體A,光催化劑通過RuII的光激發(fā)生成RuII*,RuII*可被DABCO還原生成RuI物種和DABCO+。RuI通過與胺中間體A的單電子轉(zhuǎn)移(SET)裂解C-I鍵得到RuII和烷基自由基中間體B。同時(shí),烷基中間體B經(jīng)過分子內(nèi)加成-開環(huán)級(jí)聯(lián)得到六元胺基中間體C,再經(jīng)過去質(zhì)子化得到烯丙基中間體D。D被CoII打斷,得到烷基-CoIII中間體,使得β-氫消除得到共軛二胺E和[CoIII-H]等價(jià)物,這實(shí)際上是一個(gè)帶有質(zhì)子化配體的CoI中心。[CoIII-H]等價(jià)物被質(zhì)子源(例如DABCO-H+)淬滅釋放出氫氣,并產(chǎn)生CoIII中間體,這些中間體可以通過SET被RuI還原為CoII。二胺中間體E失去1個(gè)電子被氧化為二胺自由基陽離子中間體F,然后去質(zhì)子化得到自由基中間體G。中間體G經(jīng)過脫氫過程生成最終的芳胺。 圖3 可能的反應(yīng)機(jī)理 綜上,作者通過光氧化還原/鈷肟雙催化的C-N偶聯(lián)、骨架重排和無受體脫氫芳構(gòu)化,開發(fā)了一種從非芳香前體合成芳胺的反應(yīng),可在室溫下由碘甲基環(huán)戊酮直接合成具有多種取代基的N、N-二烷基和N-烷基芳胺,并具有良好的官能團(tuán)耐受性。此外,該策略能夠?qū)崿F(xiàn)未予以保護(hù)的氨基醇和酯的N-單芳基化。這種芳胺合成方案避免使用芳香族前體,是芳胺合成的一次大膽的嘗試。預(yù)計(jì)該策略將啟發(fā)眾位學(xué)者,致力于通過碳骨架重組構(gòu)建芳香族結(jié)構(gòu),以開發(fā)不同非芳香族前體的合成策略。 相關(guān)論文信息 ▌論文標(biāo)題: Arylamine synthesis enabled by a photocatalytic skeletal-editing dehydrogenative aromatization strategy ▌論文網(wǎng)址: https://www.cell.com/chem-catalysis/fulltext/S2667-1093(23)00461-X ▌DOI: https://doi.org/10.1016/j.checat.2023.100873

















