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Angew. Chem.: 光/钯协同催化联杂芳环卤代物与CO₂的不对称羧化反应2024-11-27
二氧化碳(CO2)作为一种储量丰富、无毒且可持续的碳资源,其高效转化合成多种高附加值化学品受到了化学家们的广泛关注。过去几十年,研究者们已经发展出一系列方法将CO2转化为多种羧酸类化合物,但是由于二氧化碳自身的热力学稳定性和动力学惰性,其转化通常需要较苛刻的条件(高温、高压);此外,CO2非极性的分子结构使得其与金属的配位能力较弱。因此以CO2为原料,通过金属催化不对称碳-碳键形成来合成手性羧酸一直是该领域的难题。尽管近些年来也有一些CO2不对称催化转化的报道,但大多数都集中在中心手性的构建,而利用CO2的不对称羧化反应构建轴手性羰基化合物的研究还很少。

近年来,光氧化还原与过渡金属协同催化体系受到越来越多的关注,与单一催化体系相比,该协同催化体系将光催化和过渡金属催化的优势相结合,不仅打破了传统金属催化的反应模式,而且光催化体系的引入使得催化金属的价态更加丰富可调,从而带来新的反应性能。除此之外,光催化和金属催化这两个独立的催化循环能够实现更加精细的反应性以及选择性调控。

近日,上海交通大学变革性分子前沿科学中心刘家旺课题组,利用光/钯协同催化体系,发展了联杂芳环卤代物与CO2以及烷基溴化物的串联不对称羧化和原位酯化反应,通过动态动力学不对称转化过程,成功实现了CO2参与轴手性酯的高效、高选择性合成。

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通过条件优化,作者获得了最优条件并对底物范围进行了考察。首先,烷基溴化物上的各种官能团如氟、氯、甲氧基、三氟甲基、膦酸酯基以及一些药物分子片段均具有良好的兼容性。此外,作者还对外消旋氮杂芳基卤代物进行了拓展,在萘环不同位置含有各种取代基的底物都能获得良好的结果。

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详细的机理研究表明,光催化剂和钯催化剂的比例对反应的化学和对映选择性都有显著影响。动力学研究和控制实验揭示了反应经过不对称羧化和亲核取代的过程。高对映选择性的实现不仅依赖于协同催化体系的选择,还取决于烷基溴的利用,它能够原位捕获生成的轴手性羧基阴离子,通过生成构象稳定的酯阻止了快速消旋。

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总之,该工作开发了一种高效的光氧化还原/钯协同催化体系,实现了CO2参与的轴手性酯的合成,具有对映选择性高、底物范围广以及官能团耐受性强等优点。机理研究表明,通过加入烷基溴原位快速捕获生成的手性羧基阴离子,从而产生构象稳定的轴手性酯是反应取得成功的关键。该反应不仅为轴手性羧酸酯的合成提供了简洁温和的路线,同时也为二氧化碳的不对称转化提供了新思路。

文信息

Synergistic Photoredox/Palladium Catalyzed Enantioconvergent Carboxylation of Racemic Heterobiaryl (Pseudo)Halides with CO2

Bihai Ye, Lei Su, Kaiting Zheng, Dr. Shen Gao, Prof. Dr. Jiawang Liu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202413949

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