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MacMillan課題組JACS:醇的自由基脫氧胺化反應(yīng)構(gòu)建C(sp3)-N鍵

來源:化學(xué)加原創(chuàng)      2024-06-20
導(dǎo)讀:近日,2021年諾貝爾化學(xué)獎得主、美國普林斯頓大學(xué)默克催化中心(Merck Center for Catalysis at Princeton University)David W. C. MacMillan課題組發(fā)展了一種銅金屬光氧化還原策略,實(shí)現(xiàn)了醇與N-親核試劑的開殼脫氧偶聯(lián),構(gòu)建了C(sp3)-N鍵。利用此策略可以實(shí)現(xiàn)具有高價值的藥物的合成,而這利用傳統(tǒng)的交叉偶聯(lián)過程通常難以實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)首先經(jīng)歷了氮雜環(huán)卡賓(NHC)介導(dǎo)的醇轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的烷基自由基,隨后通過銅催化的C-N偶聯(lián)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,該反應(yīng)對一系列醇和N-親核試劑均具有良好的兼容性。相關(guān)成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上,文章鏈接DOI:10.1021/jacs.4c04477。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.


正文

碳氮鍵廣泛存在于藥物、農(nóng)用化學(xué)品、天然產(chǎn)物和功能材料中。在FDA批準(zhǔn)的小分子藥物中超過80%含有至少一個氮原子,并且在藥物發(fā)現(xiàn)階段18%的合成轉(zhuǎn)化涉及C-N鍵的構(gòu)建。過去二十年來,C(sp2)-N鍵的構(gòu)建取得了巨大進(jìn)展,這主要?dú)w功于強(qiáng)大的過渡金屬催化策略的發(fā)展,如Buchwald-Hartwig偶聯(lián), Ullman-Goldberg偶聯(lián)和Chan-Evans-Lam偶聯(lián)反應(yīng)。盡管已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,但發(fā)展一個高效、通用的合成方法來實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥相關(guān)的C(sp3)-N鍵的構(gòu)建仍然具有很大的需求(Figure 1a)。化學(xué)加——科學(xué)家創(chuàng)業(yè)合伙人,歡迎下載化學(xué)加APP關(guān)注。

醇是一種簡單易得且結(jié)構(gòu)多樣的天然烷基合成砌塊(Figure 1b)。其在藥物和天然產(chǎn)物中的廣泛存在為分子的直接后期官能團(tuán)化提供了機(jī)會。然而,目前利用醇作為烷基化試劑的轉(zhuǎn)化卻有待進(jìn)一步探索。由于C(sp3)-O鍵的低親電性和固有強(qiáng)度,醇必須首先轉(zhuǎn)化為更具反應(yīng)性的物種才能繼續(xù)轉(zhuǎn)化,而這些活化過程通常需要時間和多步反應(yīng),且在純化過程中具有很大的挑戰(zhàn)性。美國普林斯頓大學(xué)默克催化中心David W. C. MacMillan課題組發(fā)展了一種銅金屬光氧化還原策略,實(shí)現(xiàn)了醇與N-親核試劑的開殼脫氧偶聯(lián),從而構(gòu)建了C(sp3)-N鍵(Figure 1c)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

此C(sp3)-N交叉偶聯(lián)反應(yīng)的可能機(jī)理如Figure 2所示:首先,醇1與N-芳基苯并噁唑鹽2在溫和堿性條件下反應(yīng),生成NHC -醇加合物3。在可見光(450 nm)光激發(fā)下,[Ir(Fmppy)2(dtpy)][PF6]配合物4 形成了長壽命的三線態(tài)激發(fā)態(tài)(τ = 1.2 μs)。這種光激發(fā)的*Ir(III) 5 (E1/2red [*IrIII/IrII] = +0.94 V)很容易被NHC-醇加合物3通過單電子轉(zhuǎn)移(SET) (E1/2 = 1.0 V)淬滅,產(chǎn)生還原的Ir(II)物種 6和自由基陽離子加合物。該自由基陽離子中的次甲基C-H鍵可以被化學(xué)計量的堿去質(zhì)子化,生成α-氧自由基7。接下來,7經(jīng)歷C-O鍵的β-斷裂,得到無反應(yīng)性的氨基甲酸酯副產(chǎn)物和游離的烷基自由基8。此外,N-親核試劑9與醋酸銅(II)和化學(xué)計量的堿反應(yīng)生成Cu(II)氨基配合物10。配合物10以接近擴(kuò)散速率捕獲游離的烷基自由基8,并生成假定的Cu(III)烷基中間體11。高價銅配合物11經(jīng)過還原消除產(chǎn)生C(sp3)-N偶聯(lián)產(chǎn)物12和低價銅(I)物種13。最后,兩個催化循環(huán)通過外源化學(xué)量氧化劑與還原的銥催化劑6 (E1/2red [IrIII/IrII] = -1.50 V)和銅催化劑13反應(yīng)進(jìn)行循環(huán)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

首先,作者使用7-氮雜吲哚和4-四氫吡喃醇作為模板底物對此轉(zhuǎn)化進(jìn)行了探索,并對反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化(Table 1)。當(dāng)使用7-氮雜吲哚 (0.10 mmol, 1.0 equiv), 4-四氫吡喃醇 (2.0 equiv), NHC (2.0 equiv), 吡啶 (2.0 equiv)反應(yīng)10分鐘,隨后加入MesIO (2.5 equiv), BTMG (3.0 equiv), Cu(OAc)2 (20 mol%), dOMePhen (23 mol%), [Ir(Fmppy)2(dtbpy)][PF6] (1 mol%)在PhF/MeCN (7:3, 89 nm)中, 450 nm 光照下,24 oC反應(yīng)4小時可以以81%的核磁產(chǎn)率得到相應(yīng)的C-N偶聯(lián)產(chǎn)物(entry 1)。此外,當(dāng)將此轉(zhuǎn)化放大至0.5 mmol規(guī)模時,仍可以以62%的分離產(chǎn)率得到產(chǎn)物??刂茖?shí)驗(yàn)表明,在沒光催化劑、銅鹽、堿以及光引發(fā)的條件下均不能得到產(chǎn)物(entries 2-5)。當(dāng)不使用配體或氧化劑以及降低醇的用量為1當(dāng)量時產(chǎn)率均有所降低(entries 6-8)。這些結(jié)果與推測的反應(yīng)機(jī)理相一致。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

在得到了最優(yōu)反應(yīng)條件后,作者對此轉(zhuǎn)化的底物范圍進(jìn)行了考察。首先,作者對18類不同的藥物相關(guān)氮親核試劑的兼容性進(jìn)行了考察(Table 2)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,包括吲哚(14, 70%; 15, 71%)、氮雜吲哚(16-18, 61-81%)、吡咯(19, 62%)、咔唑(20,77%)、氮雜咔唑(21, 65%)、咪唑(22,53%)、苯并咪唑(23,61%)、吡唑(24, 72%; 25, 74%)、吲唑(26-28, 68-78%)、氮雜吲唑(29, 63%; 30, 61%)、三唑(31, 67%; 32, 57%)、酰胺(33-35, 60-74%)、苯胺(36, 79%; 37, 77%)、亞胺(38,69%)、氨基甲酸酯(39,79%)等均可兼容。此外,此轉(zhuǎn)化對一系列生物活性分子同樣具有良好的兼容性,如Skelaxin (40, 61%), procaine (41, 42%)和Carvedilol (42, 42%)。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.

接下來,作者對醇的兼容性進(jìn)行了考察(Table 3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,一系列伯醇和仲醇均具有良好的兼容性,以36-75%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的偶聯(lián)產(chǎn)物43-60。值得注意的是,利用此策略還可以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于抗癌和抗病毒治療的非天然核苷的合成,以63-78%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的產(chǎn)物61-65,進(jìn)一步證明了此轉(zhuǎn)化的實(shí)用性。

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(圖片來源:J. Am. Chem. Soc.


總結(jié)

David W. C. MacMillan課題組發(fā)展了一種有效的合成策略實(shí)現(xiàn)了銅金屬氧化還原催化N-親核試劑與簡單醇的烷基化反應(yīng)。此轉(zhuǎn)化具有廣泛的底物范圍,包括含氮雜環(huán)、苯胺、酰胺、伯醇和仲醇、二醇、單糖和復(fù)雜的藥物分子等均可兼容。鑒于C(sp3)-N鍵在生物活性分子中的重要性,預(yù)計該反應(yīng)將在藥物化學(xué)界得到廣泛的應(yīng)用。

文獻(xiàn)詳情:

Free-Radical Deoxygenative Amination of Alcohols via Copper Metallaphotoredox Catalysis. 
William P. Carson II,Artem V. Tsymbal, Robert W. Pipal, Grant A. Edwards, Joseph R. Martinelli, Albert Cabré, David W. C. MacMillan*
J. Am. Chem. Soc., 2024,
https://doi.org/10.1021/jacs.4c04477.

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