Science: List教授报道有机催化烯烃不对称氢烷氧基化反应
导读
尽管手性Brønsted酸催化的亚胺和羰基化合物的不对称转化均已实现，但对于普通烯烃的不对称转化仍然充满着挑战。最近，德国马普煤炭所的Benjamin List教授利用手性的二磷酰亚胺结构作为催化剂，实现了烯烃的不对称氢烷氧基化反应，文章DOI: 10.1126/science.aaq0445。
基于烯烃的有机转化，尤其是不对称催化反应，一直以来都是非常有意义的。其中，烯烃的不对称氢官能团化反应由于具有原子经济性和产物高价值性，近年来引起了不少课题组的关注。相对于二烯或联烯的氢胺化反应，普通烯烃的氢烷氧基化反应的研究要少得多。此外，烯烃的不对称转化目前主要依赖于过渡金属催化，然而这样的催化体系对普通的烯烃并不适用。相反，酶可以催化普通的烯烃的不对称转化（Science 1A）。2017年，Tang课题组报道了酶催化的烯烃的不对称氢烷氧基化反应，但底物相对比较局限 (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3639–3642)。德国马普煤炭所的List教授长期以来致力于手性小分子不对称催化的研究。受酶催化的烯烃不对称氢烷氧基化反应的启示，List教授推测该反应可以由某种精心设计的手性Brønsted酸催化实现，并且可能具有更广的底物适用范围。目前手性Brønsted酸催化的不对称转化主要局限于亚胺和羰基化合物，对于普通的烯烃仍然充满着挑战。在过去的研究中，List教授先后报道了手性二磷酰亚胺（IDP）和三氟甲磺酰胺取代的手性二磷酰亚胺（IDPi）催化的不对称催化反应。在此，List教授考虑利用IDPi实现普通烯烃的不对称催化转化。
基于四氢呋喃骨架的重要性，List教授尝试从羟基取代的烯烃1a出发，对有机小分子催化剂3进行设计和考察，用来合成手性四氢呋喃衍生物2a。研究发现，当使用IDPi 3a作催化剂时，反应可以取得非常好的收率和对映选择性。进一步地，List教授对氮上的电性和位阻进行调控，发现当使用3,5-二三氟甲基苯磺酰基取代的催化剂3b时，反应的产率可达到91%，er值达到97.5:2.5，得最优条件（Science 1B）。
Scheme 1. 生物和化学领域的烯烃活化。图片来源：Science
在该最优条件下，List教授对烯烃的适用范围进行了考察（Scheme 2）。研究发现，不同电性取代的底物均能取得较为不错的反应性，官能团如醚、羟基、氟、溴、甲氧基等都能得到很好的兼容。反应产率高，对映选择性好。
Scheme 2. 烯烃氢烷氧基化的底物拓展。图片来源：Science
为了证明该方法学的实用性，List教授还做了如下一系列转化（Scheme 3）。首先，List教授从手性的底物(S)-1v和(R)-1w出发，通过对催化剂构型的调控，能以较高的收率和非常好的非对映选择性得到目标产物。并且，从烯烃1x出发，经不对称氢烷氧基化、氧化，可以顺利地构建(-)-Boivinianin A。除分子内不对称氢烷氧基化外，List教授还尝试实现分子间的不对称氢烷氧基化。从苄醇和苯乙烯出发，在催化剂(S,S)-3c的催化下，能以95%的产率生成目标产物，并且er值达到76.5:23.5，该反应还在进一步优化当中。
Scheme 3. 该方法学的进一步应用。图片来源：Science
最后，List教授还做了一系列的实验探究该反应的机理（Scheme 4）。基于DFT计算的结果，List教授认为该过程是先后经历烯烃质子化、C-O键形成的分步过程，并且TS1的形成是有利的。为了证实DFT计算的结果，List教授还做了Hammett线性关系的研究，ρ值小于0则表明了过渡态中碳正离子的存在性。此外，通过底物1l、5、6和7的对比实验，也说明了该反应经过分步的过程。
Scheme 4. 机理研究。图片来源：Science
总结：在该工作中，List教授利用手性的二磷酰亚胺结构3b作为催化剂，实现了烯烃的不对称氢烷氧基化反应。反应产率较高，对映选择性好。此外，List教授还通过一系列转化实验证实了方法学的实用性。针对反应的机理，List教授也做非常细致的研究。除了不对称氢烷氧基化，烯烃的其它不对称氢官能团化反应中在进一步研究当中。
原文链接：http://science.sciencemag.org/content/359/6383/1501
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