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催化不对称Friedel-Crafts反应是合成含有芳基的光学活性化合物的有效途径,是形成碳—碳键的重要方法之一,在有机合成中具有十分重要的意义。十多年来,该领域的研究逐渐引起人们关注并已取得一些重要进展。但总的说来,该领域的研究依然处于初始阶段,反应的底物范围不宽、催化剂用量普遍较高。因此,开拓新型的不对称Friedel-Crafts反应非常重要。
在金属催化的不对称Friedel-Crafts反应中,采用能够与催化剂金属离子以1,4-、1,5-螯合配位,形成五、六员环中间态的双齿螯合型烷基化底物是一种常用策略,因为螯合作用能够有效的减少反应的过渡态,保证反应的高对映选择性。为拓展不对称Friedel-Crafts反应的底物范围,发展新的Friedel-Crafts反应,我们首次将新颖的1,3-螯合配位策略引入到该反应的研究。
首先研究了能够与催化剂产生1,3-螯合配位模式的硝基乙烯类底物与吲哚的不对称Friedel-Crafts反应,通过对金属路易斯酸、配体、溶剂以及温度等反应条件的优化,我们发现以10mol%Zn(OTf)2为催化剂,12mol%(S)-Ph-Bisoxazoline为手性配体,在甲苯溶剂中0℃条件下,反应以优异的收率、高达90%ee的对映选择性获得产物。在此条件下,进一步将反应拓展到各种芳基、烷基取代的硝基乙烯化合物以及β-硝基丙烯酸酯。借助ChemDraw3DMM2软件模拟,我们认为底物中硝基的两个氧原子与催化剂Zn离子的1,3-螯合配位是手性控制的关键,吲哚从硝基乙烯底物的Re面进攻得到S构型产物,这与文献报道的产物绝对构型吻合。
进一步以1,3-螯合配位为策略,发展了简单的磺酰基芳基醛亚胺底物的不对称Friedel-Crafts反应。通过对各种反应条件的优化,我们发现以10mol%Cu(OTf)2为催化剂,17mol%(S)-Bn-Bisoxazoline为手性配体,在二氯甲烷溶剂中20℃条件下,反应的对映选择性可以达到96%ee。将对硝基苯磺酰基(Ns)引入亚胺底物后,可以进一步将反应拓展到带有给电子基的芳基醛亚胺底物。为理解反应的手性控制机制,我们培养了产物3-6f的单晶并确定其绝对构型为S。借助ChemDraw3DMM2软件模拟,我们认为底物的亚胺氮原子与磺酰基的一个氧原子以1,3-螯合配位形式与催化剂Cu离子络合是反应手性控制的关键,吲哚从亚胺的Re面进攻得到S构型产物,这与实验事实吻合。当亚胺底物的磺酰基被苯基取代后,随着1,3-螯合配位的消失,反应只能获得消旋产物,这一实验事实再次证明了1,3-螯合配位模式师获得高对映选择性的关键。
为进一步提高不对称Friedel-Crafts反应的活性和选择性,我们对传统的双噁唑啉配体进行改造,首次合成了含有不同取代基的非C2-对称性双噁唑啉配体。在吲哚与硝基苯乙烯的Friedel-Crafts反应中,我们发现含有苯基及叔丁基的非C2-对称性双噁唑啉配体能够将反应的对映选择性提高到88%ee。在吲哚与丙二酸酯衍生的缺电子烯烃的Friedel-Crafts反应中,这一配体能够将反应的对映选择性提高到80%ee,接近文献最高水平。
本论文中共合成了63个新化合物,通过了1HNMR、13CNMR、元素分析、质谱或高分辨质谱的分析鉴定,其中18个为新配体及其中间体,其余45个为Friedel-Crafts产物。