南邮胡杰峰课题组Angew. Chem.:光诱导铜催化的脱羧 C(sp3)-C(sp3)偶联构建富含 C(sp3)的偕二硼砌块
南京邮电大学的胡杰峰教授与德国维尔茨堡大学的Todd B. Marder课题组合作,发表了论文《光诱导铜催化的脱羧 C(sp3)-C(sp3)偶联构建富含 C(sp3)的偕二硼砌块》在Angewandte Chemie International Edition上。
(来源:Angew. Chem.)
作者在光/铜双催化条件,开发了一种温和且高选择性的脱羧反应方法。这一方法能够实现烷基羧酸衍生物与偕二硼金属试剂的 C(sp3)−C(sp3) 交叉偶联反应,从而合成了一系列结构复杂且具有实用价值的偕二硼烷烃。
有机硼化合物作为重要的合成砌块,具有优异的官能团兼容性,广泛应用于合成化学、材料科学和药物化学等领域。与单硼化合物相比,偕二硼具备双硼基官能团反应位点,在反应活性和功能灵活性方面展现出更高的应用价值。通过催化或非催化等反应途径,能促进偕二硼的同一反应位点连续多次官能团转化,从而精准可控化构建碳-碳和碳-杂键,进而指导基于sp3碳中心的交叉偶联反应,实现复杂分子和天然产物的合成。然而,由于底物来源受限和空间位阻等问题,构建富含β- C(sp3)和叔C(sp3)的偕二硼烷仍然面临巨大挑战。
近期,胡杰峰课题组提出了一种光化学和铜催化协同作用的新方法。该方法从简单的羧酸出发,与二硼甲基锌试剂进行 C(sp3)-C(sp3) 交叉偶联,高效合成了一系列在β位置富含 C(sp3) 的偕二硼烷。这一方法不仅展示了出色的普适性,还适用于药物分子和天然产物的后期修饰,为富含 C(sp3) 的药物候选分子提供了一个快速且通用的合成平台,有望加速新药的研发进程。相关研究成果已发表在Angewandte Chemie International Edition上。
作者首先选择了1-甲基-1-环己基羧酸NHPI酯(3b)和二硼甲基锂(1a)作为模板底物,在蓝色LED光照下建立了光/铜协同催化体系。通过对碱、铜盐、光催化剂和光源等反应条件的系统优化,确定了最佳反应条件:以DCE作为溶剂,DBU作为反应碱,[Ir(ppy)2(dtbbpy)]PF6作为光催化剂,在440 nm的LED光照下反应1小时,最终获得了84%的目标产物。
(来源:Angew. Chem.)
在获取最佳反应条件后,作者进一步探索了光诱导 C(sp3)-C(sp3) 交叉偶联二硼甲基化反应的底物适用范围。为此,采用了多种不同的一级、二级和三级烷基酸作为底物进行实验。这些烷基酸包括了具有不同链长、取代基团和立体化学特征的化合物,以全面评估该方法在不同底物上的反应性能。实验结果表明,所研究的底物与优化的反应条件相兼容,并能够有效地生成目标产物。特别地,对于不同类型的烷基酸,无论是具有长链的复杂底物还是结构较简单的底物,该方法均表现出良好的反应活性和选择性。这些发现表明,该光诱导双催化方法具有广泛的底物适用性,能够处理多种结构和功能基团的烷基酸,为其在实际应用中提供了强有力的支持。
图一:羧酸的底物范围(来源:Angew. Chem.)
在此基础上,作者进一步验证了这种双催化方法的多样性和实用性。他们将多种含羧酸的生物活性分子和天然产物置于优化的标准反应条件下进行实验。这些分子具有不同的化学结构和功能基团,以检验该方法在多样化化合物上的适用性。实验结果表明,这些复杂的生物活性分子和天然产物与反应条件高度兼容,能够顺利转化为预期的交叉偶联产物。这些成果不仅展示了该双催化方法的强大功能,还为其在药物开发和天然产物修饰等领域的应用奠定了坚实的基础。
图二:复杂分子和天然产物的后期偕二硼修饰(来源:Angew. Chem.)
作者通过自由基捕获实验,控制实验,开环/闭环实验和荧光猝灭实验阐述了其反应机理。在光照射下,光催化剂PC被激发,形成活性PC*。同时,Cu(I)催化剂和偕二硼锌卤化物通过转金属化反应形成二硼甲基LnCu(I)复合物A。PC*从Cu(I)复合物A中接受一个电子,从而形成高还原性PC*-和Cu(II)物种B。然后,PC*-与羧酸NHPI酯进行单电子(SET)转移形成烷基自由基,并释放光催剂PC。该烷烃自由基被铜物种B捕获,形成高价的Cu(III)中间体C。最后,C通过还原消除反应形成相应偕二硼产物,同时二硼甲基锌物种可以通过转金属化反应再生A。
图三:反应机理(来源:Angew. Chem.)
相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed,黄明明博士为第一作者,胡杰峰教授与Prof. Dr. Todd B. Marder为共同通讯作者。
论文信息
Photoredox/Cu-Catalyzed Decarboxylative C(sp3)−C(sp3) Coupling to Access C(sp3)-Rich gem-Diborylalkanes
Dr. Mingming Huang, Huaxing Sun, Florian Seufert, Dr. Alexandra Friedrich, Prof. Dr. Todd B. Marder, Dr. Jiefeng Hu
Angew. Chem. Int. Ed.
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