【经典化学反应】史一安不对称环氧化反应

Original huaxuejia 化学加 2021-06-12

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导读

史一安不对称环氧化反应（Shi asymmetric epoxidation）是利用Oxone(过硫酸氢钾复合物)或者30%的双氧水作氧化剂，利用果糖或者葡萄糖等衍生的手性酮作催化剂（Shi 催化剂），对各类非官能团化的烯烃进行的不对称环氧化反应。最早报道于1996年的JACS，题目为“一种利用果糖衍生物对于反式烯烃不对称环氧化的有效方法”，文章中十几个底物都取得了中等到良好的收率以及优秀的ee值（J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 9806-9807.）。这是有机合成中一类非常重要的小分子催化的不对称环氧化反应，也是少数的几个完全是中国人名命名的经典有机反应之一。

图 1 史一安不对称环氧化反应
史一安教授是著名的华人有机化学家，1983年在南京大学获得学士学位，1987年在多伦多大学获得硕士学位，导师Ian W. J. Still，1992年在斯坦福大学获得博士学位，导师B. M. Trost，1992-1995年在哈佛大学医学院做博士后研究，导师Christopher T. Walsh，1995年起，任职于美国科罗拉多州立大学（Colorado State University）。我国著名化学家冯小明院士（四川大学）、唐勇院士（上海有机所）、厍学功教授（兰州大学）等都曾在他课题组做过博士后研究。史一安教授2006年任中国科学院化学研究所化学生物学研究中心主任，2008-2012年任中国科学院分子识别与功能重点实验室主任。2012任南京大学分子有机化学研究中心主任。主要研究方向是有机合成方法学以及生物活性分子的合成。近期，化学加刚为大家解读了他的一篇JACS（《【今日化学前沿】南京大学化学院史一安课题组发表JACS，报道烯烃氢甲酰化反应新进展》）。
史一安课题组利用D-果糖为起始原料，经过丙酮叉保护和二级羟基氧化得到手性酮化合物1，这也是应用最为广泛的一个史一安手性催化剂，作为催化剂可以对反式烯烃、三取代烯烃、二烯、烯炔等底物进行不对称环氧化，均可以获得优秀的ee值，而且官能团兼容性良好，硅醚、缩醛、卤素、酯基等都可以兼容。利用L-果糖为起始原料，则可以合成相应的对映异构体。（参考文献：Acc. Chem. Res. 2004, 37, 488-496. 这是史一安教授写的史一安不对称环氧化反应的一篇重要综述。）但手性酮1的局限性在于对顺式烯烃和末端烯烃的不对称环氧化效果不好，ee值很低。
图 2 手性酮1的合成
2000年，史一安课题组又以D-葡萄糖为起始原料合成了新的手性酮催化剂2，可用于顺式烯烃和末端烯烃的不对称环氧化，得到了理想的结果，是对手性酮1的重要补充。（厍学功教授在博士后期间参与的工作J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 11551-11552）

图 3 手性酮2及其在不对称环氧化反应中的应用
史一安不对称环氧化的机理如图4所示，首先手性酮催化剂和过硫酸氢钾发生氧化反应，形成含有过氧键的螺环化合物。这一步要控制好溶液的pH值，防止发生手性酮的Baeyer-Villiger氧化的副反应。螺环化合物再对双键进行环氧化，有螺环过渡态和平面过渡态两种，显然螺环过渡态能量较低为最佳反应模式，从而实现了手性的控制。简单地说，就是利用手性酮催化剂实现了过氧的转移和手性的控制。
图 4 史一安不对称环氧化的机理
溶液的pH值对史一安不对称环氧化有较大的影响，pH值太高会导致过硫酸氢钾的自身分解，pH值较低容易发生手性酮的Baeyer-Villiger氧化的副反应，因此pH值一般控制在10.5左右为最佳。
应用举例：
史一安不对称环氧化反应在有机合成中应用非常广泛，这里列举一个最具代表性的例子：Corey 课题组2000年利用史一安不对称环氧化为关键步骤，从多烯化合物双羟基角鲨烯出发，一步构建了5个环氧，进而在樟脑磺酸作用下，环氧开环并重排为目标分子。整个合成过程只有两步！J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4831-4832

图 5 史一安不对称环氧化反应的应用一
值得一提的是，这是兰大化学校友、曾经任职于兰大化学学院的熊照明博士在Corey 课题组博士后期间的工作，一年两篇JACS（J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4831-4832，J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 9328-9329），都是利用了史一安不对称环氧化为关键步骤简洁高效地合成了一大类复杂天然产物，对于史一安不对称环氧化反应的推广具有重要意义。2010年，熊照明博士在Corey 课题组又发一篇OL（Org. Lett. 2010, 12, 1512-1514），还是利用了同样的策略简洁高效不对称合成了同类分子Omaezakianol。

图 6 史一安不对称环氧化反应的应用二
总结
史一安不对称环氧化反应是利用Oxone(过硫酸氢钾复合物)或者30%的双氧水作氧化剂，利用果糖或者葡萄糖等衍生的手性酮作催化剂（Shi 催化剂），对各类非官能团化的烯烃进行的不对称环氧化反应。反应条件温和，底物适用性广泛，操作简便，无污染，是一类非常重要的不对称反应，在天然产物合成和药物合成中具有重要应用。