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化学化工学院王超课题组在选择性氢转移反应研究方面取得新进展

  编辑:      发布时间:2019-09-04 09:10:33     部门:化学化工学院    

发展绿色、高选择性的催化反应是解决化学带来的环境污染,实现社会可持续发展的重要手段之一。基于催化脱氢过程的氢转移反应是一类绿色的化学反应类型。“绿色催化与合成团队”的王超课题组一直致力于发展新的催化剂、催化体系和策略来控制氢转移反应中的选择性问题,以期发展绿色、高效、高选择性的有机化学转化方法。先后发展了用于氢转移反应的环金属铱催化剂(Chem.Eur. J.2015,21, 9656;ACS Catal.2017,7, 1831)、双铑催化剂(Chem. Sci.2016,7, 4428;Green.Chem.2016,18, 4605;Chem. Eur. J.2017,23, 14445;ACS Catal.2019,9,4441)、双铜催化剂(Chem. Eur. J.2017,23, 3051;Chem. Eur. J.2017,23, 3062;Catal.Sci. Technol.2017,7, 5510)以及铁催化剂(Chem. Eur. J.2018,24, 13118),实现了系列基于氢转移过程的高化学选择性反应。近期,课题组进一步拓展了铁催化选择性氢转移过程的应用(J.Am.Chem. Soc.2019,141, 13506),并在不对称氢转移领域取得进展(Angew.Chem. Int. Ed.2019,58, 10528)。

氢胺化反应是将烯烃、炔烃等基本化工原料转化为高附加值胺类化合物的一类重要转化过程。由于氢胺化反应可以生成马氏和反马氏两种产物,氢胺化反应中的化学选择性控制一直是该反应中的一大难题。课题组基于氢转移的策略,发展了基于廉价铁催化的烯丙醇反马氏氢胺化和氢酰胺化反应,实现了系列γ-氨基醇类化合物的绿色合成。该催化体系具有高反马氏选择性、反应条件温和、底物范围广泛、官能团耐受性好等优点;且反应中手性底物的立体构型在产物中能得到保持,可以有效的对手性氨基酸,天然产物和药物分子等复杂分子进行修饰。机理研究表明,反应通过两个协同的催化循环进行,即Fe-PNP络合物催化脱氢/氢化过程和胺底物作为有机催化剂促进的迈克尔加成过程。该催化体系对氢胺化反应的类型进行了有效拓展,并为胺类化合物的合成提供了新思路。相关结果发表在Journal of the American Chemical Society杂志上,陕西师范大学博士马威为第一作者(J. Am. Chem. Soc.2019,141, 13506-13515, DOI:10.1021/jacs.9b05221)。

原来名称也丢了

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手性胺类物质是合成药物分子和精细化学品最为重要的一类中间体。不对称氢化是合成手性胺类物质使用较多的一类方法。例如除草剂(S)-metolachlor的合成中就以铱催化的亚胺不对称氢化(80 bar H2, >10000吨/年)作为关键步骤。但是,亚胺不对称氢化仍然存在一些问题:1.亚胺中间体稳定性差,不易分离;2.氢气的使用有潜在危险;3.手性伯胺的直接制备较困难。基于氢转移(借氢)策略,醇对胺的不对称烷基化能避免上述存在的一些问题,是合成手性胺类物质的一条较理想途径。目前已有一些成功的体系报道,但均需使用Ir或Ru等贵重的过渡金属催化剂。过渡金属残留是制药工业面临的一大问题,因此发展无过渡金属参与的手性胺合成具有重要意义。

基于氢转移策略,课题组发展了一例无过渡金属催化合成手性胺的方法,并通过和北京化工大学的雷鸣教授合作对反应机理进行了阐述。研究发现,在催化量的NaOH和酮存在下,消旋仲醇能和手性叔丁基亚磺酰胺反应得到高非对映选择性的手性胺类物质。该反应可以用来制备各种α-手性芳胺类化合物。反应原料和催化剂易得,可以放大到10 g级规模制备,反应产物可通过简单的酸解得到手性伯胺。特别重要的是,当使用氘代消旋仲醇时,能以高的氘代率和非对映选择性得到相应的氘代手性胺,并可应用于氘代手性药物的合成,如NPSR-568和(S)-Rivastigmine。该反应为手性胺的制备提供了一种简便的方法;由于没有过渡金属参与、操作简便,该方法具有在工业,特别是制药工业上制备手性胺的应用前景。

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中间体分离、同位素标记等机理研究表明,反应中酮先与亚磺酰胺反应得到亚胺,亚胺在Na+离子的作用下被醇还原。DFT计算表明在决速的还原步骤中,Na+离子与亚胺的氮原子和氧原子均有作用,经过一个6+4的环状过渡态而实现高选择性的氢转移。实验表明产物的构型决定于手性叔丁基亚磺酰胺,与醇的构型无关;这一结果也与DFT计算相符。该反应的发现及其机理为新的选择性氢转移反应的开发提供了思路。

相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上,陕西师范大学硕士肖苗和北京化工大学硕士岳鑫为共同第一作者(Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 10528,DOI: 10.1002/anie.201905870,Hotpaper, Back cover)。

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以上工作得到了国家自然科学基金(21773145,21473109),“陕西省青年科技新星”项目(2016KJXX-26),陕西师范大学优秀青年学术骨干项目(16QNGG008),“111”引智计划(B14041)以及中央高校基金等经费的支持。

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