烯烃和炔烃的催化不对称双卤化反应研究

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卤原子广泛存在于天然产物和药物分子中,同时也是很多化工原材料和药物中间体的关键合成子。其中相当一部分卤素是以手性碳卤键的形式存在,而烯烃的不对称双卤化反应是同时引入两个手性碳卤键最直接有效的方法之一。自2011年首次实现不对称催化以来,一系列有效的、多样化的不对称双卤化策略得到陆续开发。这些新兴的策略在众多天然产物的全合成中展现出了独特的优势。然而,现已发展的策略大多数还存在一定的局限性,例如:每种策略仅能适用于一种双卤化反应,且多数反应的底物普适性不佳,同时在立体选择性的控制等关键问题仍面临较大的挑战性;其次,卤化试剂多数活性较高、稳定性较差,对于廉价易得的碱金属卤盐在该领域的应用仍十分有限。此外,炔烃的不对称双卤化反应仍未实现,尽管该类反应可以简单高效构筑轴手性卤代芳基烯烃类化合物。主要原因为炔烃的亲电加成反应活性相对较低,形成的鎓离子中间体环内双键导致中间体稳定性降低。因此,开发新型的催化不对称烯烃和炔烃双卤化反应方法,有效的解决该领域中所涉及的上述核心问题具有非常重要的研究意义。脲类官能团可以与不同类型阴离子形成氢键,其中包括卤素负离子。基于这种氢键作用,本论文提出一种新的合成策略:将脲类基团引入到烯烃或者炔烃分子中,增强底物与小分子催化剂以及碱金属卤盐之间的相互作用,同时提高原料与无机盐在有机溶剂中的溶解度,从而实现烯烃和炔烃的催化不对称多样性双卤化反应,得到具有应用价值的手性邻二卤代烷烃或烯烃。其主要研究内容包括:以烯丙基脲类化合物为原料,使用氯化锂(LiCl)为亲核性氯源和N-溴代丁二酰亚胺(NBS)为亲电性溴源,在金鸡纳碱催化下实现烯烃的不对称溴氯化反应。与之前的策略相比,该反应具有操作简单、原料廉价易得、收率高(收率高达99%)、立体选择性好(ee值高达99%)以及底物兼容性广(Z/E构型芳基和烷基烯烃均能兼容)等优点,并且反应能够放大到克级规模制备。通过一系列衍生化反应能够将溴氯化产物快速转化成不同类型的手性分子;通过官能团转化能够将脲导向基脱除,反应过程中对映选择性得到保持。通过核磁氢谱和高分辨质谱等检测手段,验证了底物上引入的脲类导向基与卤负离子之间的相互作用;并设计了控制实验,验证脲的两个N-H对反应活性和立体选择性的影响,基于以上实验结果,提出可能的立体控制模型。使用溴化锂(LiBr)为亲核性溴源,实现同类烯烃底物的不对称双溴化反应。反应具有良好的底物普适性,顺、反两种类型的烯烃都能高选择性地生成相应的邻二溴代产物(yield>80%;ee>90%;dr>20:1)。该体系对溴化钠和溴化钾也能够兼容,首次实现了这两种无机盐在有机催化不对称双卤化反应中的应用。使用氟化钾为亲核性氟源在相似的反应体系中能够以中等收率分离得到邻溴氟代烷烃,反应同样均具有较好的立体选择性(>90%ee;dr>20:1)。通过改变烯烃的构型和催化剂的种类,能够得到所有四种立体异构体。最后,通过引入脲作为导向基,在金鸡纳碱催化下实现首例炔烃的不对称溴氯化反应和双溴化反应,合成具有稳定轴手性的双卤代芳基烯烃。该反应可以单一地获得反式加成产物,收率最高达到99%,ee值多数大于90%。尽管轴手性芳基烯烃类分子的不对称合成近几年已经取得一些突破性进展,但是对于这类双键上连有两个卤原子的四取代轴手性芳基烯烃的不对称合成仍具有较高的挑战性。本文探究的新方法不仅首次实现炔烃的不对称双卤化反应,而且进一步丰富轴手性芳基烯烃类化合物的类型。该反应可以进行克级规模制备,产物中的脲导向基团能够经一步反应转化成醛基,得到的双卤代肉桂醛类衍生物是一种高度官能团化的四取代烯烃(例如溴氯化反应的产物,其双键上分别连有溴、氯、苯基和醛基四种不同类型的官能团),有利于进行后续选择性官能团转化,快速获得更加丰富多样的轴手性芳基烯烃分子,增强了本论文所开发的新合成策略的实际应用价值。
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