关键词:
轴手性1,3-丁二烯
手性磷酸
丁三烯
相转移催化
氮烷基化
烯烃碳氢键官能团化
摘要:
手性普遍存在于自然界中,在生命进程中扮演着重要角色。早期研究主要集中在中心手性化合物的绿色合成与应用。近些年,轴手性、螺旋手性、面手性等其他非中心手性现象才逐渐引起化学工作者的重视。其中以联芳基骨架为代表的轴手性骨架被广泛应用于在生物医药、功能材料、精细化工、绿色合成以及环境科学等领域。然而,非联芳基类轴手性化合物的绿色合成与应用研究则显得相对匮乏。其中,关于轴手性烯烃类化合物的研究则一直停留在轴手性芳基烯烃类化合物的合成与应用上。因特殊的空间拓扑结构,轴手性1,3-丁二烯在不对称合成和功能材料等领域具有较大的应用潜力。但其轴手性稳定性较差,导致相关的合成与应用研究至今基本处于未开发状态。极易消旋的反式旋转过渡态,对非环状轴手性1,3-丁二烯类化合物的绿色、高效合成研究提出了极高的要求。本论文结合绿色可持续发展理念,通过不对称氮烷基化、不对称烯烃碳氢键官能团化和丁三烯分步不对称双官能团化三种便捷、高效、低能耗的合成策略完成了新型轴手性1,3-丁二烯类化合物的构建和拓展,具体研究内容如下:
利用烯胺的氮烷基化反应实现了轴手性1,3-丁二烯类化合物的不对称构建,为该类化合物的不对称合成研究打下了坚实的基础。该方法利用廉价易得、环境友好的辛可宁衍生物作为手性相转移催化剂,以轴手性不稳定的全取代1,3-丁二烯为底物,高效地构建了轴手性1,3-丁二烯类化合物。该方法通过氮烷基化的方式来阻止烯胺-亚胺互变过程,同时增大取代基位阻,进而限制手性轴的自由旋转来实现轴手性1,3-丁二烯不对称合成。该方法对全取代1,3-丁二烯底物以及亲电试剂结构具有很好的兼容性,以高产率和高対映选择性(产率最高可达99%,ee值最高可达96%)构建了34个轴手性1,3-丁二烯类化合物。同时,利用该烯烃与联烯胺阴离子的结构关联性,以接近100%手性传递率,实现了该烯烃的立体构型翻转,进一步拓展了13个轴手性1,3-丁二烯类化合物。
有机催化的烯烃碳氢键官能团化突破了过渡金属催化的垄断局面,是不对称构建轴手性1,3-丁二烯类化合物最直接有效的方法。该方法利用手性磷酸作为手性阴离子相转移催化剂,通过新型烯烃碳氢键不对称官能团化反应机制,向五取代1,3-丁二烯底物中引入溴原子,高效地合成了全取代轴手性1,3-丁二烯类化合物。该方法对于五取代1,3-丁二烯底物结构具有很好的兼容性,以优异的产率和対映选择性(产率最高可达99%,ee值最高可达99%)构建了27个轴手性1,3-丁二烯类化合物。通过绿色、经济、高效的一锅法衍生化反应,成功将多种含杂原子的官能团引入到轴手性1,3-丁二烯骨架中,以优异的产率和対映选择性(产率最高可达90%,ee值最高大于99%)进一步构建了21个新型轴手性1,3-丁二烯类化合物。反应机理研究表明,该反应主要包括底物活化、去质子化和[1,3]-溴迁移等反应过程。其中,去质子化过程为反应的决速步和对映选择性决定步,[1,3]-溴迁移过程的面选择性决定了产物的Z/E选择性。消旋机制研究表明,起阻转和支撑作用的取代基均会对1,3-丁二烯手性轴的稳定产生影响。应用研究表明,轴手性1,3-丁二烯不仅可以作为手性合成子向其他手性结构转化,还可以作为手性配体应用于不对称催化反应中。
丁三烯的分步双官能团化首次将丁三烯应用于轴手性领域,为高效不对称构建轴手性化合物开辟了新途径。该方法主要包括手性Lewis酸催化下的丁三烯与吲哚的不对称迈克尔加成反应和全取代轴手性联烯化合物与大位阻亲电试剂的转化反应。通过具有100%原子经济性的不对称迈克尔加成反应,以最高99%的产率和72%ee构建了9个全取代轴手性联烯化合物。通过后续方便、快捷的转化反应,以接近100%手性传递率和最高96%的产率,进一步构建了7个新型轴手性1,3-丁二烯类化合物。
轴手性1,3-丁二烯骨架的催化不对称合成研究不仅会推动该骨架在手性合成领域的应用研究,也会为该骨架在生物医药、功能材料等工程领域的应用奠定坚实的基础。