手性配體的設(shè)計(jì)與合成是不對(duì)稱催化中挑戰(zhàn)也最行之有效的策略之一。浙江大學(xué)陸展教授課題組以“含氮多齒配位、氧化還原活性、非對(duì)稱性”的配體設(shè)計(jì)理念，合成了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的手性配體(acc. chem. res. 2021,54,2701–2716.)。而亞胺基團(tuán)被認(rèn)為是適用于第一過(guò)渡金屬的良好氧化還原配體砌塊。然而，僅有少數(shù)手性亞胺配體(如salen配體)被普遍應(yīng)用于高對(duì)映選擇性轉(zhuǎn)化的反應(yīng)中，其中大多數(shù)手性salen型或semi-salen型配體的亞胺部分都帶有手性基團(tuán)。2016年，受salen型配體和前期配體設(shè)計(jì)工作的啟發(fā)，陸展課題組在salen配體醛基部分的苯基側(cè)引入噁唑啉作為手性基團(tuán)，發(fā)展了手性亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)配體(org. lett. 2016,18,4658-4661)。
圖1 亞胺苯基噁唑啉苯基胺（ipopa）配體的設(shè)計(jì)理念
該類三齒陰離子配體具有許多潛在優(yōu)勢(shì)：
1)中心氮原子與金屬形成σ-共價(jià)鍵在反應(yīng)中不易解離，其金屬絡(luò)合物表現(xiàn)出更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，這對(duì)于高效的不對(duì)稱金屬催化反應(yīng)非常重要。
2)該類非c2對(duì)稱的nnn三齒配體具有更多的可修飾位點(diǎn)，對(duì)其位阻及電子效應(yīng)的改造能為不對(duì)稱催化帶來(lái)更多可能。
3)金屬絡(luò)合物單晶結(jié)構(gòu)表明該類配體中心金屬兩側(cè)六元環(huán)不在同一平面上，這與一些中性配體(如：pybox)不同，這種空間結(jié)構(gòu)上的不同也給不同反應(yīng)的手性調(diào)控帶來(lái)了更大的可能。
圖2 亞胺苯基惡唑啉苯基胺（ipopa）配體潛在優(yōu)勢(shì)
近年來(lái)，陸展教授課題組發(fā)展的這類亞胺苯基噁唑啉苯基胺配體被應(yīng)用于酮的不對(duì)稱硅氫化反應(yīng)、烯烴的聚合反應(yīng)、1,3-烯炔的不對(duì)稱雙官能團(tuán)化反應(yīng)以及鈷催化不對(duì)稱自由基偶聯(lián)反應(yīng)等多種轉(zhuǎn)化中。
01
鈷催化芳基酮的不對(duì)稱硅氫化反應(yīng)
2016年，浙江大學(xué)陸展課題組報(bào)道了亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)配體，并將其應(yīng)用于鈷催化芳基酮的不對(duì)稱硅氫化反應(yīng)中。反應(yīng)能以高達(dá)99%ee得到手性醇產(chǎn)物，該反應(yīng)體系條件溫和，對(duì)底物官能團(tuán)容忍性好，催化劑用量可降低至0.5 mol%，放大到克級(jí)規(guī)模時(shí)，對(duì)反應(yīng)的ee值沒(méi)有影響。于此同時(shí)，陸展課題組還提出了反應(yīng)過(guò)程中的立體化學(xué)模型，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)物的絕對(duì)構(gòu)型和解釋反應(yīng)中部分底物不參與反應(yīng)的現(xiàn)象(org. lett. 2016,18,4658-4661)。
圖3 鈷催化芳基酮的不對(duì)稱硅氫化反應(yīng)
02
鈀催化烯烴的聚合反應(yīng)
2019年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所白晨曦課題組合成了亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)配體連接的氯化鈀(ii)配合物(ipopa-pdcl)，并將其用于降冰片烯和5-乙烯基-2-降冰片烯的乙烯基共聚反應(yīng)中(polymer2019,172,196–204.)。他們開(kāi)發(fā)的方法能夠以超高的tg得到穩(wěn)定的熱固性材料，這項(xiàng)工作也為適用于乙烯基聚合的新型半salen型鈀(ii)催化劑的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。
圖4 ipopa配體在烯烴聚合反應(yīng)中的應(yīng)用
2021年，白晨曦課題組又合成了一系列亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)的氧釩配合物并用紅外光譜和元素分析對(duì)其進(jìn)行了表征(dalton trans. 2021,50,16067–16075.)。此外，該課題組也通過(guò)x射線衍射確定了配合物的分子結(jié)構(gòu)。這些配合物對(duì)乙烯聚合表現(xiàn)出高活性(高達(dá)1.39×107g molv?1h?1)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性(高達(dá)60 °c)。所獲得的聚乙烯具有中等分子量(21.9×104至66.4×104g mol?1)，并表現(xiàn)出窄分布(1.91~2.86)和單峰特征。作者還詳細(xì)研究了取代基對(duì)配體的影響。帶有二異丙基的化合物對(duì)乙烯聚合表現(xiàn)出最高的活性，因?yàn)猷徫蝗〈鶎?duì)苯胺的空間位阻可以有效地抑制催化劑的雙分子失活。這一工作為設(shè)計(jì)新型熱穩(wěn)定釩催化劑提供了新思路，這也是亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)配體在聚合反應(yīng)中的又一應(yīng)用。
03
銅催化1,3-烯炔的不對(duì)稱1,4-芳基/炔基化反應(yīng)
2023年，華中師范大學(xué)張國(guó)柱和郭瑞課題組將亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)配體應(yīng)用到銅催化不對(duì)稱轉(zhuǎn)化中(chemcatchem.2023,e20230069)，將廉價(jià)、易得、高反應(yīng)活性的二芳基碘鎓鹽作為芳基自由基的前體，開(kāi)發(fā)了一種銅催化的1,3-烯炔的不對(duì)稱1,4-芳基/炔基化反應(yīng)。該項(xiàng)工作的成功在于使用了亞氨基苯基噁唑啉基苯胺(ipopa)作為手性配體。反應(yīng)體系中各種炔烴、1，3-烯烴和二芳基碘鎓鹽表現(xiàn)出良好的兼容性，為構(gòu)建高對(duì)映體選擇性四取代的軸向手性丙烯化合物提供了一種有效的方法。這也是使用ipopa配體實(shí)現(xiàn)高選擇性不對(duì)稱轉(zhuǎn)化的又一實(shí)例。
圖5 銅催化1,3-烯炔的不對(duì)稱1,4-芳基/炔基化反應(yīng)
04
鈷催化α-溴代酮對(duì)映匯聚式negishi偶聯(lián)反應(yīng)
自由基型不對(duì)稱催化，因其經(jīng)歷高活性的類平面型自由基中間體，控制反應(yīng)的立體選擇性具有極大挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)高效的手性配體及催化體系是實(shí)現(xiàn)高對(duì)映選擇性自由基轉(zhuǎn)化的一個(gè)主要策略。
近日，陸展課題組實(shí)現(xiàn)了該類配體在鈷催化的不對(duì)稱自由基偶聯(lián)反應(yīng)中的高對(duì)映選擇性轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了一例鈷催化α-溴代酮的對(duì)映匯聚式negishi偶聯(lián)反應(yīng)。其中對(duì)亞胺苯基噁唑啉苯基胺(ipopa)配體上電子效應(yīng)的修飾是實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)高選擇性轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵(doi:10.1021/jacs.3c09807)。
圖6 鈷催化α-溴代酮對(duì)映匯聚式negishi偶聯(lián)反應(yīng)
該體系官能團(tuán)兼容性良好，且可以容忍含有β-仲烷基和叔烷基取代及芳基鄰氟取代的大位阻底物。
圖7 挑戰(zhàn)性底物及官能團(tuán)化底物
為了闡明可能的反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了較為詳細(xì)的機(jī)理探究。自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)可能經(jīng)歷自由基中間態(tài)。動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)對(duì)于鹵化物、鋅試劑及鈷催化劑均成一級(jí)反應(yīng)。結(jié)合配體上吸電子效應(yīng)越強(qiáng)反應(yīng)速率越快的現(xiàn)象，作者提出還原消除可能是決速步驟。隨后作者對(duì)不同電子效應(yīng)配體進(jìn)行了氧化還原電位(c-v曲線)測(cè)試，并對(duì)不同配體催化反應(yīng)的初始速率進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明配體的氧化電位和反應(yīng)的初始速率呈一定的線性關(guān)系，這也佐證了作者對(duì)于還原消除是決速步驟的假設(shè)。
圖8 配體的氧化還原電位對(duì)比
作者對(duì)反應(yīng)的預(yù)催化劑進(jìn)行了x-ray單晶衍射表征，單晶結(jié)構(gòu)表明ipopa鈷絡(luò)合物中兩個(gè)六元環(huán)不在同一平面上，這與之前報(bào)道的pybox金屬絡(luò)合物不同，這種更加柔性的結(jié)構(gòu)可能是該反應(yīng)能容忍大位阻底物的原因。
圖9 ipopa-m和pybox-m的對(duì)比
陸展教授，博士生導(dǎo)師
2003年畢業(yè)于浙江大學(xué)化學(xué)系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位;2008年畢業(yè)于浙江大學(xué)化學(xué)系，獲理學(xué)博士學(xué)位;2008-2012年美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分?；瘜W(xué)系博士后。2012年底加入浙江大學(xué)化學(xué)系，并被聘為特聘研究員、課題組長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師。2018年底晉升為教授，兼任浙江大學(xué)化學(xué)前瞻技術(shù)中心獨(dú)立pi。
陸展博士主要從事于基于手性配體設(shè)計(jì)的地球豐產(chǎn)過(guò)渡金屬高選擇性催化和可見(jiàn)光催化反應(yīng)研究。
基于廉價(jià)金屬原子半徑較小、價(jià)態(tài)、自旋態(tài)和配位模式易變等特點(diǎn)，已設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一系列適合鐵、鈷的新型非c2對(duì)稱含氮三齒手性配體及其鈷、鐵配合物，并將其應(yīng)用于鐵、鈷催化烯烴的不對(duì)稱氫官能團(tuán)化反應(yīng)，解決了一些貴金屬催化劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)性難題，例如大宗化學(xué)品1-丁烯的高選擇性不對(duì)稱硅氫化和胺氫化等反應(yīng)。這些結(jié)果為解決豐產(chǎn)金屬催化反應(yīng)的催化效率及選擇性控制等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題提供了一些新思路和新方法。利用可見(jiàn)光催化劑有效的單電子氧化還原和能量轉(zhuǎn)移能力，發(fā)展新型自由基反應(yīng)并實(shí)現(xiàn)其不對(duì)稱轉(zhuǎn)化。
陸展博士在j. am.chem. soc.，angew. chem. int. ed.，chem，nature communications等國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文90余篇，被他引5000余次，撰寫(xiě)英文章節(jié)2章，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明10余項(xiàng);曾獲國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、thieme chemistry journal award等資助和榮譽(yù)。
合作產(chǎn)品
參考文獻(xiàn)
1.guo, j.; cheng, z.; chen, j.; chen, x.; lu, z. iron- and cobalt-catalyzed asymmetric hydrofunctionalization of alkenes and alkynes,acc. chem. res.2021, 54,2701–2716.
2.chen, x.; lu, z. iminophenyl oxazolinylphenylamine for enantioselective cobalt-catalyzed hydrosilylation of aryl ketones.org. lett.2016,18,4658-4661.
3.j. he,; l. huang,; y. yang,; y. qi,; l. cui,; q. dai,; c. bai. high tg and thermostable phytic acid? cured polynorbornene-based polymer by a palladium(ii) complex bearing iminophenyl oxazolinylphenylamines ligand, polymer2019,172,196–204.
4.r. wu,; z. niu, l. huang,; y. yang,; z. xia,; w. fan,; q. dai,; l. cui,; j. he and c. bai. thermally stable vanadium complexes supported by the iminophenyl oxazolinylphenylamine ligands: synthesis, characterization and application for ethylene (co-)polymerization.dalton trans.2021,50,16067–16075.
5.huang, h.; zhang, h.; wang, q.; sun, y.; xu, w.; ma, y.; kong, s.; zhang, g.; guo, r. copper-catalyzed asymmetric 1,4-aryl/alkynylation of 1,3-enynes to access axially chiral tetrasubstituted allenes. chemcatchem.2023, e20230069.
6.wang, j.; shen, x.; chen, x.; bao, y.; he, j.; lu, z. cobalt-catalyzed enantioconvergent negishi cross-coupling of α-bromoketones.jacs. 2023,
7.陸展*，陳旭，一種手性含亞胺噁唑啉胺類的化合物及其制備方法[p].中國(guó)：2016100163686，2017.