可見(jiàn)光氧化還原與酸催化劑協(xié)同催化不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)研究進(jìn)展

郭玉潔 王朝明

摘 要：近年來(lái)，可見(jiàn)光氧化還原催化受到化學(xué)家們?cè)蕉嘣蕉嗟年P(guān)注。通過(guò)可見(jiàn)光催化劑誘導(dǎo)自由基活性中間體可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)化學(xué)合成方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)。但是由于自由基中間體具有較高的反應(yīng)活性，這也對(duì)這類(lèi)反應(yīng)的手性控制提出了新的挑戰(zhàn)。在眾多解決該問(wèn)題中的方法中，可見(jiàn)光與手性酸催化劑協(xié)同催化是目前比較簡(jiǎn)單高效的方法之一。在使用可見(jiàn)光催化劑誘導(dǎo)自由基生成的同時(shí)，使用手性酸對(duì)底物進(jìn)行對(duì)映選擇性控制。本文綜述了近年來(lái)在可見(jiàn)光催化體系中融合手性路易斯酸或勃朗斯臺(tái)酸進(jìn)行手性合成的報(bào)道。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光氧化還原催化； 勃朗斯臺(tái)酸； 路易斯酸； 不對(duì)稱(chēng)合成

1 前言

近年來(lái)，可見(jiàn)光氧化還原催化領(lǐng)域的眾多研究都集中在光氧化還原催化體系和其他催化體系結(jié)合。雖然可見(jiàn)光氧化還原催化體系在促進(jìn)多種化學(xué)轉(zhuǎn)換中已經(jīng)顯示出無(wú)與倫比的魅力，但是不對(duì)稱(chēng)的可見(jiàn)光催化反應(yīng)仍然很少被報(bào)道?？梢?jiàn)光催化體系會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的開(kāi)殼活性中間體，具有極高的反應(yīng)活性[1]，而通過(guò)在催化體系內(nèi)引入路易斯酸或者勃朗斯臺(tái)酸，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)中間體的反應(yīng)活性或控制后續(xù)反應(yīng)的選擇性，為手性控制提供了新的思路，成為相關(guān)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。本文對(duì)可見(jiàn)光氧化還原催化體系和手性酸協(xié)同催化領(lǐng)域的機(jī)理和相關(guān)研究的進(jìn)展進(jìn)行回顧和總結(jié)。

2 可見(jiàn)光與勃朗斯臺(tái)酸協(xié)同催化

2.1 不對(duì)稱(chēng)質(zhì)子耦合電子反應(yīng)

在2013年，Konwles小組在探索可見(jiàn)光催化下的質(zhì)子耦合電子（Proton-Coupled Electron Transfer）轉(zhuǎn)移過(guò)程中，報(bào)道了不對(duì)稱(chēng)的分子內(nèi)氮雜頻哪醇偶聯(lián)反應(yīng)[2]。成功地利用手性膦酸催化劑實(shí)現(xiàn)了高對(duì)映選擇性酮和腙的分子內(nèi)還原性偶聯(lián)反應(yīng)。該反應(yīng)對(duì)于苯基上供電子或者吸電子取代的苯乙酮衍生物都可以獲得優(yōu)異的收率和對(duì)映選擇性。不過(guò)對(duì)于雜芳環(huán)苯乙酮，產(chǎn)率和ee值都會(huì)有所降低。

2.2 不對(duì)稱(chēng)Diels-Alder反應(yīng)

可見(jiàn)光催化下的陽(yáng)離子自由基的Diels-Alder反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)富電子的雙烯體和親烯體之間的反應(yīng)，因而在有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。然而對(duì)于如何誘導(dǎo)不對(duì)稱(chēng)的可見(jiàn)光催化Diels-Alder反應(yīng)，仍是重要的挑戰(zhàn)。吖啶類(lèi)催化劑在可見(jiàn)光催化領(lǐng)域一直發(fā)揮著重要的作用。Nicewicz使用手性膦酸作為吖啶鹽的陰離子配體，在吖啶催化生成自由基陽(yáng)離子的同時(shí)，通過(guò)膦酸陰離子進(jìn)行手性控制Diels-Alder反應(yīng)。遺憾地是，產(chǎn)率的對(duì)映選擇性只能達(dá)到75：25 er[3]。

2.3 取代反應(yīng)

經(jīng)典的SN1或者SN2親核取代反應(yīng)，通常不適用于使用簡(jiǎn)單和外消旋的鹵代烷烴作為親電試劑獲得相應(yīng)的光學(xué)純反應(yīng)。然而使用可見(jiàn)光與手性勃朗斯臺(tái)酸的協(xié)同催化，為解決該課題提供了新的方向。Jiang等報(bào)道了使用消旋的溴代苯乙酮和N-苯基甘氨酸在可見(jiàn)光和手性膦酸的協(xié)同催化下構(gòu)建β-氨基酮化合物。在此基礎(chǔ)上，季碳或者氟雜季碳手性中心可以高收率和高對(duì)映選擇性的生成。

2.4 脫羧偶聯(lián)反應(yīng)

N-雜芳烴的區(qū)域選擇性烷基化，是一種在制藥行業(yè)十分重要的一類(lèi)反應(yīng)。傳統(tǒng)方法可以通過(guò)Minisci反應(yīng)進(jìn)行，通過(guò)氧化產(chǎn)生烷基自由基而后進(jìn)攻N-雜芳烴。然后對(duì)于α-氨基類(lèi)烷基進(jìn)行該反應(yīng)，由于容易過(guò)度氧化產(chǎn)生亞胺導(dǎo)致收率較低。因而開(kāi)發(fā)一種條件溫和的方法一直受到有機(jī)方法學(xué)的關(guān)注。Fu等報(bào)道了可見(jiàn)光催化與膦酸協(xié)同催化的方法，用于N-雜芳烴的區(qū)域選擇性烷基化。在此基礎(chǔ)上，Phipps課題組推測(cè)通過(guò)添加手性膦酸，可以對(duì)映選擇性的合成目標(biāo)產(chǎn)物。底物拓展表明，一系列天然或非天然氨基酸衍生物均可以獲得較好的收率和對(duì)映選擇性。喹啉上苯基或者吡啶基團(tuán)上不同類(lèi)型的取代基也都具有較好的區(qū)域選擇性和對(duì)映選擇性。稍后， Jiang報(bào)道了使用有機(jī)光催化劑催化的N-雜芳烴的區(qū)域選擇性烷基化反應(yīng)，使用二腈基哌嗪化合物（DPZ）作為可見(jiàn)光催化劑，仍可以保持較高的對(duì)映選擇性和收率。

Jiang在應(yīng)用DPZ與手性膦酸催化體系進(jìn)一步進(jìn)行拓展，使用N-苯基甘氨酸和1，2-二酮進(jìn)行加成反應(yīng)，高收率和對(duì)映選擇性的構(gòu)建了光學(xué)醇氨基醇產(chǎn)物。

2.5 脫羧加成反應(yīng)

目前已經(jīng)有大量方法報(bào)道了對(duì)α-羰基活化的烯烴進(jìn)行對(duì)映選擇性的加成反應(yīng)，然而乙烯基氮雜芳香化合物，由于其活性較低，傳統(tǒng)加成方法無(wú)法應(yīng)用。最近Jiang等報(bào)道了一例可見(jiàn)光催化下的乙烯基氮雜芳香化合物的加成反應(yīng)。在該反應(yīng)中，作者選擇N-苯基甘氨酸和α-苯基乙烯喹啉作為底物，使用二腈基哌嗪化合物（DPZ）作為光催化劑，添加手性膦酸進(jìn)行手性誘導(dǎo)。為了進(jìn)一步提高反應(yīng)速率和手性控制能力，添加六氟磷酸鋰提高Br？nsted酸與底物的結(jié)合能力。

2.6 Friedel？Crafts 反應(yīng)

近期Wang等首次報(bào)道了可見(jiàn)光與手性膦酸協(xié)同催化的Friedel？Crafts反應(yīng)。該反應(yīng)使用N-乙?；被嵩诳梢?jiàn)光激發(fā)下生成相應(yīng)的亞胺自由基，在膦酸的手性控制下與吲哚化合物進(jìn)行加成。眾多類(lèi)型的吲哚或者氨基酸衍生物都可以高收率和高對(duì)映選擇性的構(gòu)建目標(biāo)骨架，而且也為溫和條件下產(chǎn)生N-乙?；鶃啺诽峁┝诵碌耐緩?。

3 可見(jiàn)光與路易斯酸協(xié)同催化

路易斯酸和手性配體催化劑在不對(duì)稱(chēng)合成領(lǐng)域一直發(fā)揮著重要的作用，該催化體系同樣也和可見(jiàn)光催化表現(xiàn)出優(yōu)異的兼容性。

3.1 羥基化反應(yīng)

2017年，xiao等設(shè)計(jì)并合成了手性二唑啉和硫雜蒽酮連接的配體，應(yīng)用該配體報(bào)道了一例可見(jiàn)光氧化還原催化和路易斯酸協(xié)同催化的β-酮酸酯氧化反應(yīng)。在反應(yīng)中，該配體既可以作為可見(jiàn)光催化劑同時(shí)也作為手性配體對(duì)反應(yīng)進(jìn)行立體選擇性控制。該反應(yīng)應(yīng)用分子氧作為終端氧化劑，可以高收率和高對(duì)映選擇性的合成相應(yīng)的羥基化合物。

3.2 氟烷基化反應(yīng)

在化合物中引入含氟基團(tuán)可以有效地改善化合物的藥物活性，因而發(fā)展簡(jiǎn)單高效對(duì)映選擇性氟化反應(yīng)具有巨大的價(jià)值。2018年，Xiao等報(bào)道了可見(jiàn)光/路易斯酸協(xié)同催化的β-酮酸酯的不對(duì)稱(chēng)氟烷基化反應(yīng)。3.3 偶聯(lián)反應(yīng)

甲苯及其衍生物通常都是石油衍生物進(jìn)行制備，這些來(lái)源豐富的化學(xué)原料通常作為有機(jī)合成中的溶劑。這些未活化底物的C（sp3）-H官能化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成的引入芐基基團(tuán)。然而，目前手性催化的該類(lèi)反應(yīng)仍然很少被報(bào)道。Jiang等發(fā)現(xiàn)在使用La（OTf）3/Pybox體系，既可以在光的作用下誘導(dǎo)吲哚酮化合物產(chǎn)生相應(yīng)的自由基，同時(shí)也可以對(duì)反應(yīng)底物進(jìn)行手性控制。通過(guò)該反應(yīng)體系可以以高收率和對(duì)映選擇性的獲得3-羥基-3-取代苯基的2-吲哚酮底物[15]。

2017年，Liu和Li了一例可見(jiàn)光/路易斯酸協(xié)同催化的羧酸NHP酯的不對(duì)稱(chēng)脫羧氰化反應(yīng)。該方法使用fac-Ir（ppy）3作為光催化劑進(jìn)行脫羧反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的自由基，使用溴化亞銅和手性配體進(jìn)行手性控制。一系列取代和雜芳環(huán)的羧酸NHP酯都獲得較好的收率和對(duì)映體選擇性，同時(shí)克級(jí)規(guī)模實(shí)驗(yàn)也獲得了良好的結(jié)果，證明了該方法的廣闊應(yīng)用前景。

4結(jié)論

如今，可見(jiàn)光氧化還原催化與手性酸協(xié)同催化體系已經(jīng)展示出其極大的應(yīng)用價(jià)值。但是目前該類(lèi)反應(yīng)更多集中在對(duì)含有羰基化合物的手性控制。同時(shí)手性磷酸昂貴的價(jià)格也對(duì)該方法的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。如何發(fā)展更加實(shí)用且高效的催化體系將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shaw M. H.， Twilton J.， Macmillan D. W. C. J. Org. Chem. 2016， 81， 6898-6926.

[2]Rono， L. J.； Yayla， H. G.； Wang， D. Y.； Armstrong， M. F.； Knowles， R. R. J. Am. Chem. Soc. 2013， 135， 17735.