1. 介紹
過渡金屬類分子催化劑伴隨著新型的催化轉(zhuǎn)換以及人們對反應(yīng)機制的了解有了進一步的發(fā)展。特別是,持續(xù)付出的大量努力開發(fā)了具有兩個或者更多個活性位點協(xié)同一致的雙功能分子催化劑,從而實現(xiàn)了有機合成高效分子變換。最近,我們開發(fā)了金屬配體雙功能催化劑(協(xié)奏催化劑),其中non-innocent ligands直接參與基質(zhì)的激活和鍵的形成。雙功能分子催化是一個有吸引力和總體策略的概念可以實現(xiàn)有效地分子改造。1)
1995年, Noyori 和他的同事們報道了二胺配體在簡單的芳香酮和BINAP-Ru(II) [BINAP=2,2’-雙(二苯基膦基-1,1’-聯(lián)萘)]系統(tǒng)對映選擇性加氫方面一個嶄新的影響。2) RuCl2[(S)-binap](dmf)n,手性1,2-二胺和KOH組合在酮加氫反應(yīng)中比經(jīng)典的BINAP–Ru催化劑顯示出更為高級的活性。隨后,一個新的膦釕催化劑概念的雛形,以N-磺化1,2-二胺為手性試劑得到了進一步的發(fā)展,用于酮類的高效不對稱轉(zhuǎn)移氫化反應(yīng)。3)這個真正的催化劑的詳細的實驗內(nèi)容和理論分析表明,如Figure 1中所描述的,在循環(huán)催化過程中,具有正方形平面幾何狀的氨釕絡(luò)合物和配位飽和的氫化(胺)釕絡(luò)合物都有涉及。酰胺絡(luò)合物具有足夠的Br?nsted堿度,很容易氫化得到含有2-丙醇基的仲醇用以生產(chǎn)氫化(胺)配合物。NH單元被綁定到胺配合物金屬中心,具有足夠的酸性可以用來激活酮基質(zhì)。在氨基和胺絡(luò)合物的相互轉(zhuǎn)換中,金屬/NH部分協(xié)同合作通過一個環(huán)狀過渡態(tài)傳遞氫,其中,H–和H+ 被通過一個方式等量轉(zhuǎn)移,從氫(胺)絡(luò)合物到C=O鍵,或者從2-丙醇到胺絡(luò)合物,并且不用金屬中心的直接協(xié)調(diào)(外層機制)。雙功能過渡金屬分子催化劑這個獨特的概念使得反應(yīng)具有高利率和顯著的空間立體選擇性,因為 這個反應(yīng)是通過一個配置緊密的設(shè)備和手性催化劑得以完成。

Figure 2 列舉了我們組新近開發(fā)的一些有明確定義的雙功能分子催化劑的代表性例子。手性雙功能η6-arene–Ru絡(luò)合物的概念是,RuH(Tsdpen)( η6-arene), [Tsdpen =N-(p-甲苯磺酰基)-1,2-二苯基乙二胺]已經(jīng)被成功的擴展到了類似的Cp*Rh和Ir絡(luò)合物中,Cp*MH(Tsdpen)[Cp*=η5-C(CH3)5,M=Rh, Ir]。4)除了N–磺酰化二胺復(fù)合物,8 和9組的金屬絡(luò)合物與二胺(N–N),5) 氨基膦(P–N),6) 氨基乙硫醇(S–N),7)o-氨基甲苯(C–N)8) 配體已經(jīng)被廣泛的開發(fā)用作完成金屬/NH效應(yīng)的雙功能分子催化劑。

其他的研究小組研究別的相關(guān)的雙功能催化劑,Figure 3表示了幾組8 和9絡(luò)合物,其中輔助配體上的質(zhì)子官能團與金屬中心協(xié)作催化氫化,氫化轉(zhuǎn)移等。Zhang(A)9)和Grützmacher催化劑(B)10) 具有三叉質(zhì)子胺配體,能夠幫助H+/H–類似的方式下轉(zhuǎn)移到雙功能催化劑上面。Shvo催化劑 (C)11)可以釋放催化活性物質(zhì),環(huán)戊二烯和環(huán)戊二烯酮絡(luò)合物,OH基團作為質(zhì)子媒介在促進氫轉(zhuǎn)移過程中起到了一個關(guān)鍵的作用。最近,Milstein開發(fā)了新的PNN pincer complexes (D)12) 作為高活性氧化還原催化劑,并且找到了他們獨特的通過脫芳構(gòu)化作用的氫化/脫氫反應(yīng)機制。Fujita和Yamaguchi設(shè)計了Cp*Ir 絡(luò)合物(E)13),具有2-羥基吡啶和pyridonate配體,可以有效地通過酸性O(shè)H 官能團促進仲醇的脫氫反應(yīng)。Kitamura和Tanaka 證明了The acidic nature of CpRu fragment (F)上的2-喹啉羧酸酸性質(zhì)影響到了烯丙基醇C–O鍵的活性從而得到烯丙基醚。14)

本為關(guān)注于我們最新的進展,基于金屬/NH協(xié)作的雙功能分子催化劑,它們利用不對稱還原轉(zhuǎn)換反應(yīng)和相關(guān)的對映選擇性C–C和C–N鍵的生成反應(yīng)。
2.使用雙功能催化劑的不對稱轉(zhuǎn)移氫化反應(yīng)1c)
一般來講,2-丙醇可以用作一種安全、無毒、環(huán)境友好型氫源。盡管2-丙醇的不對稱還原得到了一個令人滿意的結(jié)果,但是,其內(nèi)在的一個弊端是氫轉(zhuǎn)移是可逆的,這就導(dǎo)致了轉(zhuǎn)移的局限取決于系統(tǒng)的熱力學(xué)因素以及反應(yīng)混合物和催化劑在長時間曝光下產(chǎn)品對映體純度的損耗。另一方面,甲酸遵循不對稱還原反應(yīng),在不可逆轉(zhuǎn)方法中轉(zhuǎn)換率100%。15)
簡單的芳香酮類和含有雙功能催化劑的甲酸、三乙胺混合物的不對稱還原反應(yīng)具有高效活性、選擇性、廣泛的底物范圍以及實用性等特點。雙功能氫化(胺)-Ru配合物是配體飽和,催化系統(tǒng)容許有氨基、酯、氰基、硝基、疊氮化和氯基團以及芳香雜環(huán)和炔鏈,1c)如Figure 4總結(jié)所示。C–N雙鍵也可以與甲酸和三乙胺含有手性Ru 或者Rh 催化劑的混合物還原得到相應(yīng)的胺,具有一個很高的對映體過量百分數(shù)。16)


如Figure 5所示,一系列的含有質(zhì)子膦胺螯合物配體的Cp*Ru(P–N)絡(luò)合物 也用作氫化轉(zhuǎn)移的高效催化劑。基于可逆氫化機制通過胺和氨絡(luò)合物兩者之間互換,氧化還原過程可以成功的用于手性醇的快速外消旋化17)以及利用丙酮將二醇特定的選擇氧化為內(nèi)酯。18)手性Cp*Ru(P–N)復(fù)雜絡(luò)合物對映選擇性異構(gòu)化烯丙基醇為β-取代基酮類,接下來閉環(huán)置換得到溫和的(R )-麝香酮。19)
3. 極性基質(zhì)雙功能催化劑的催化加氫6)
由于我們在2001年報道了醇溶劑在綁定異裂H2鍵到16-電子[Cp*Ru{Me2 N(CH2)2 NH2}]+(Cp*Ru(N–N))片段的的影響,20)我們系統(tǒng)的測試了除酮以外的極性基質(zhì)的催化氫化,發(fā)現(xiàn)具有叔膦基替換叔胺可以導(dǎo)致Ru/NH 雙功能范圍擴大化。例如, Cp*Ru(P–N復(fù)合物,[Cp*Ru{Ph2 P(CH2)2 NH2}]+, 在各種終端環(huán)氧化物中給不飽和C–O選擇性提供氫鍵,從而生成相應(yīng)的仲醇,然而Cp*Ru(N–N) 復(fù)合物是完全消極惰性的。21)
Cp*RuCl(P–N)催化劑直接催化氫化N-acylcarbamates和carboxyimides選擇性得到N -protected amines 和alcohols。22)
值得注意的是,目前的氫化作用適用于還原轉(zhuǎn)化反應(yīng)。雙功能催化條件下伯胺從N-phthalimides脫保護同樣適用于Gabriel氨基酸的合成。例如, N-鄰苯二甲酰-L-苯丙氨酸甲酯通過手性N–acyloxazolidiones處理氫解得到物光學(xué)純度損耗的L-Phe甲酯鹽酸鹽,這是由Evans 研發(fā)的合成手性醇和無光學(xué)純度損耗的original 手性助劑的非常有用的合成中間體,如Figure 6所示。23a)

手性Cp*Ru(P–N)催化劑,具有手性P–N配合基鍵(由L-普氨酸衍生得到)促進前手性4-arylglutarimides對映選擇性氫化通過去保護得到相對應(yīng)的δ-羥基酰胺,具有很好的ee值,且產(chǎn)率很高。進一步細化加工得到手性哌啶酮衍生物,這個可以作用合成生理學(xué)光學(xué)活性手性化合物包括抗抑郁藥物帕羅西汀等的重要合成中間體。
Cp*Ru(P–N)催化劑強壓條件下也能促進酯和酰胺類氫化得到醇或者胺。23b)這個氫化過程使用金屬氫化試劑化學(xué)計量法也將為傳統(tǒng)的還原方法提供一個很強大的替代方法。
4. 雙功能催化劑有氧氧化反應(yīng)24)
當分子氧用于雙官能團醇類脫氫氧化反應(yīng)中的氫原子受體時,有氧氧化變?yōu)橐粋€簡單且有機廢物最小化的一個過程。幸運的是,我們發(fā)現(xiàn)了一個新的可孤立的官能團酰胺-Ir絡(luò)合物,具有一個C–N螯合胺配體Cp*Ir[ κ2(N,C)-(NHCR2-2-C6H4)] (R=C6H5和CH3),和相應(yīng)的氫(胺)絡(luò)合物Cp*IrH[κ2(N,C)-{NH2CR2-2-C6H4}],可以作為酮類轉(zhuǎn)移氫化反應(yīng)的高效催化劑,促進催化醇類的有氧氧化。8a)1-苯基乙醇的催化反應(yīng)在空氣大氣壓強下平穩(wěn)進行,含有酰胺-Ir絡(luò)合物,Cp*Ir[κ2(N, C)-{NHC(C6H5)2-2-C6H4}] (Figure 7)。25)氫(胺)-Ir 絡(luò)合物,Cp*IrH[κ2(N,C)-{NH2C(C6H5)2-2-C6H4}], 和二元態(tài)催化劑系統(tǒng)(含有氯(胺)-Rh、-Ru絡(luò)合物和KOC(CH3)3), 也能得到氧化產(chǎn)物苯乙酮。伯醇在相同條件下反應(yīng)得到二聚產(chǎn)品、酯類等。當含有氯絡(luò)合物組分催化劑的芐醇混合物Cp*IrCl[κ2(N,C)-{NH2C(C6H5)2-2-C6H4}], 與當量的KOC(CH3)3在THF中攪拌反應(yīng),空氣溫度為30 °C時,得到相對應(yīng)的苯甲酸芐酯衍生物。
當應(yīng)用到二級醇與手性酰胺催化劑的動力學(xué)拆分時,醇的有氧氧化更為引起人們的興趣(Figure 7)。有氧氧化條件下通過手性Ir 絡(luò)合物Cp*Ir[( S,S)-Msdpen](Ms=甲磺酰),有效的解決了外消旋1-苯乙醇的動力學(xué)拆分,得到48%的 (R)-1-苯基乙醇和98% ee;kf/ ks比率為100。26)同樣的,1-indanol與1-tetralol 室溫下反應(yīng)得到R-enantiomers,>99% ee且46–50%產(chǎn)率。

5.承接金屬-N鍵的雙核雙功能催化劑的擴展27)
金屬配體雙能能效應(yīng)實現(xiàn)了單核half-sandwich氨基絡(luò)合物的形成,有望于 有效的制備具有M–N鍵的亞氨基-橋雙核絡(luò)合物。細致的結(jié)構(gòu)分析和NMR研究 表明了吸電子雙核集團使得亞氨基橋雙核絡(luò)合物穩(wěn)固,28) 同時也具有一源于M–N鍵的酸堿雙功能性質(zhì)。
不飽和雙(亞氨)-橋二銠(III)復(fù)合物配體,[(Cp*Rh)2(μ-NTs)2](Ts=SO2C6H4CH3-p)室溫下與H2(1atm)在CH2Cl2中反應(yīng)24h得到雙(亞氨)-橋二銠(II)復(fù)合物(Cp*Rh)2(μ-NHTs)2],產(chǎn)率為82% 如Figure 8所示。應(yīng)該注意的是,在這個反應(yīng)中, H2形式上轉(zhuǎn)換為兩個氨基質(zhì)子和兩個電子用于二銠在[(Cp*Rh)2(μ-NTs)2]的還原。雙(亞氨) 復(fù)合物與過量的2-丙醇反應(yīng)得到雙(胺基)復(fù)合物。兩個NH質(zhì)子的產(chǎn)生與金屬中心的兩個電子還原相結(jié)合與伯醇、仲醇通過不飽和單核氨基絡(luò)合物脫氫作用形成了鮮明的對比,這就導(dǎo)致了hydrido–amine復(fù)合物的形成,并且如上所述沒有形成正式的金屬的還原。

雙(氨基)-橋二銠(II)復(fù)合物與O2快速反應(yīng)形成雙(亞氨)-橋二銠(III)復(fù)合物和水。29) 此外,雙核imido和amido之間的溫和的氧化還原互換可以應(yīng)用到H2和醇的有氧氧化中起到催化作用。
6. 不對稱共軛加成雙功能催化劑30)
堿性氨基復(fù)合物可以與含酸性的有機化合物反應(yīng),得到含有金屬碳鍵親核試劑的胺復(fù)合物。例如,我們發(fā)現(xiàn)紫色Ru復(fù)合物,Ru[(R, R)-Tsdpen]( η6-三甲苯),–30°C條件下與丙二酸二甲酯在甲苯中平穩(wěn)反應(yīng)得到黃色結(jié)晶物,Ru[CH(CO2 CH3)2][(R,R)-Tsdpen](η6-三甲苯)。31)如果從一個氨基金屬復(fù)合物中得到的具有金屬鍵親核試劑的胺胺復(fù)合物進攻缺電子受體,催化作用的C–C 鍵形成得以實現(xiàn)。事實上,手性Ru催化劑,Ru[(S,S)-Tsdpen](η6-arene)有效的提高了dimethyl malonate對環(huán)enones 或者nitro olefins的對映選擇性Michael 加成反應(yīng)得到具有很好的ee值的加成產(chǎn)物(Figure 9)。通過雙功能Ru催化劑,1,3-dicarbonyl compounds對cyclic enones的Michael addition 反應(yīng)的NMR和DFT分析結(jié)果表明對映選擇性C–C鍵的形成通過螯合電子對中間物的形成, Ru金屬中心與enone分子協(xié)同為C–C鍵的形成制造出一個高組織性環(huán)境,只產(chǎn)生一種對映選擇性產(chǎn)品。31b)

手性氨基催化劑對映選擇性共軛加成可以擴展到α –cyanoacetates與dialkyl azodicarboxylates的Ir-催化反應(yīng)得到直接胺化產(chǎn)物。2)當乙炔酯用作親電子試劑,α–cyanoacetate和雙功能手性催化劑對映選擇性和Z 選擇性共軛加成得到手性加成產(chǎn)物,擁有一個四元碳中心,具有很好的ee值。33)
7. 總結(jié)
本文主要關(guān)注最新進展的化學(xué)概念上的新的包括立體性、區(qū)域性和化學(xué)選擇性還原劑或者氧化轉(zhuǎn)移以及對映選擇性質(zhì)C–C、C–N鍵(通過Michael-type共軛加成而產(chǎn)生)的協(xié)作催化劑與雙功能過渡金屬分子催化劑。配位胺試劑合理的設(shè)計使得M/NH單元中電子因素在雙功能催化劑中顯示平衡狀態(tài),是其具有廣泛性和高實用性的催化性能的決定性因素。我們相信目前雙功能分子催化劑能夠為開啟新的選擇性分子轉(zhuǎn)移包括對映選擇性合成的層面上提供一個廣闊的機會。
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注:本文為提供者整理翻譯的,由于知識所限,錯誤在所難免,敬請原諒。如有問題可以查找原文。
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