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科研進展

齐湘兵實驗室首次发现烷基锆的化学选择性迁移和交叉偶联化学

發布時間:2020/06/08



202065日,香港快三/清華大學生物醫學交叉研究院齊湘兵課題組在化學頂級期刊 J. Am. Chem. Soc.》雜志在線發表了題爲“Chemoselective Cross-coupling of gem-Borazirconocene Alkanes with Aryl Halides” 的研究論文(https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c03821)。有機锆試劑在烷烴長鏈上行走(“鏈行走”)並活化遠端化學鍵特性被發現近半個世紀來(1974年),如何控制锆金屬的選擇性遷移,遷移方向以及如何活化烷烴端頭單鍵等科學問題一直沒有被解決。作者首次發現了烷基锆遠程遷移的可控性,實現了硼酸酯對锆試劑鏈行走遠程遷移的導向控制,高效構建了同碳锆硼物種。在此基礎上,作者進一步開發了簡單可見光促進鎳催化的烷基锆硼試劑與芳基鹵化物交叉偶聯方法,實現了具有手性中心的二級烷基硼試劑的高效合成。本研究是該科研團隊在突破可見光促進單一鎳催化的烷基锆交叉偶聯反應後的又一新的方向(https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.12.010Chem 2020, 6, 675-688)。


烷基锆試劑具有鏈行走遠程遷移特點,但是锆試劑遠程遷移通常生成熱力學穩定的端頭一級锆試劑,而由熱力學穩定的一級锆試劑通過鏈行走遠程“逆遷移”生成二級烷基锆试剂并没有被发现。该研究团队首次实现了通过端位硼酸酯基团诱导锆试剂选择性遠程迁移方向的控制,成功实现了一級锆试剂遠程逆迁移生成二級烷基锆硼试剂的过程。作者还通过DFT 計算具體探索了硼酸酯導向锆試劑遷移的詳細過程,解析了烷基锆硼試劑穩定性及其高反應活性的原因。


由于可以實現複雜分子特別是三維立體分子的快速構建,雙金屬烷基試劑的化學選擇性交叉偶聯反應具有廣泛的合成應用價值。在已報道的雙金屬試劑中,烷基锆硼試劑由于锆和硼具備不同反應活性並且具有制備簡單、操作方便、官能團耐受性良好等特性被認爲是極具潛力的有機合成單元。烷基锆硼試劑中碳锆鍵與碳硼鍵極性具有較大差異,這使得研究人員可以通過諸如親核取代或親核加成等各種反應,對該試劑進行選擇性官能化。相比于此試劑在鹵化,氘代,胺化,以及親核加成反應中的廣泛研究,該試劑在交叉偶聯反應中的應用一直沒有被突破。盡管我們課題組最近已經報道了一級烷基锆試劑的交叉偶聯反應,但是迄今爲止,二級烷基锆試劑由于缺乏穩定的π體系絡合過渡金屬並且容易發生β氫消除而導致難以實現偶聯反應中的轉金屬化過程。此外,烷基锆配合物引起的顯著的空間位阻進一步降低了烷基的親核性。這些因素導致目前尚未開發出包括烷基锆硼試劑在內的二級烷基锆試劑的廣譜交叉偶聯反應。

齐湘兵實驗室基于大量的尝试与探索,在前期工作基础上,首次发现了烷基锆硼试剂的光活性,进一步发展了简单可见光促进镍催化的烷基锆硼偶联方法。该反应无需添加剂,区域选择性高,并且具有广泛的普适性以及良好的官能团耐受性,包括酯基,氰基,一級醇,酰胺等一系列芳基卤化物都可以在温和的室温光照条件下实现与烷基锆硼试剂的偶联反应,高效构建一系列苄位二級烷基硼试剂。该偶联反应可以克級规模放大,并且可以运用到复杂天然产物的后期修饰过程中。作者还对该反应进行了不对称偶联尝试,可以高区域选择性及高对映选择性地完成手性烷基硼试剂的合成。

综上,齐湘兵實驗室首次实现了烷基锆硼试剂在交叉偶联反应中的广谱性应用,首次发现并验证了硼酸酯对锆试剂鏈行走遠程迁移的导向控制过程。为锆化学领域选择性遠程迁移,远端活化化学键提供了新思路,为硼化学领域快速构建手性烷基硼试剂提供了新方法。

齐湘兵實驗室与南京理工大学姜超實驗室联合培养的博士生杨超是本文第一作者,南京理工大学联合培养博士生高亚东、2020PTN学生白松霖对本工作有重要贡献,本工作在香港快三完成。

全文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c03821

實驗室链接:http://qigroup.nibs.ac.cn/


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