【合成】中科大龚流柱团队：钯催化的烯丙基碳氢键不对称官能团化的近期研究进展

Chemistry Authors Up Close

Pd-Catalyzed Asymmetric Allylic C-H Functionalization

Pu-Sheng Wang,a and Liu-Zhu Gong*

This essay presents recent advances in Pd-catalyzed asymmetric allylic C-H functionalization in our lab, including the development of asymmetric catalytic systems, the mechanism of allylic C−H activation and the control of stereo- and regioselectivity. A diverse range of α-alkenes have been active allylic reagents to engage in the reactions to access synthetically useful building blocks, enabling the asymmetric synthesis of a range of natural products and biologically molecules.

C-H activation | Asymmetric catalysis | Allylation | Palladium | Allylic compounds | Regioselectivity | Alkenes

钯催化的烯丙基碳氢键不对称官能团化的近期研究进展

过渡金属催化的烯丙基化反应是构建碳-碳键和碳-杂键最便捷和高效的方法之一，在有机合成化学中占有重要的地位。特别是钯催化的不对称烯丙基化反应在过去几十年里得到了快速发展,并被广泛地用于天然产物和药物分子的合成。相较而言，钯催化烯丙基碳氢键官能团化是一类更为直接和步骤经济的理想有机反应，直接实现从简单烯烃到复杂分子的转化，无需使用高活性烯丙基试剂，极大提高了反应的原子和步骤经济性。但是由于缺乏有效的手性催化体系，其不对称研究进展比较缓慢。近年来，中国科学技术大学龚流柱教授团队对钯催化的烯丙基碳氢键不对称官能团化反应进行了深入而全面的研究，相关科研成果已在国际学术期刊上发表(Acc. Chem. Res. 2020, 53, 2841; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202211631; Nat. Synth. 2022,1, 487; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20454; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16806; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 10616; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5824; Angew. Chem. Int. Ed. 2017,56, 16032; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 14354; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12732; J. Am. Chem. Soc. 2015,137, 4054; Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12218等)。

以发展手性配体和手性控制策略为核心，近些年来已发展出一些手性钯催化剂体系，可以有效实现烯丙基碳氢键不对称官能团化。例如，史一安课题组使用手性亚磷酰胺配体实现了钯催化的烯丙位/高烯丙位碳氢键不对称胺化反应（J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8590）；White课题组使用手性(Salen)-Cr作为添加剂实现了首例钯催化的烯丙基碳氢键不对称氧化反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 6448）；2012年Trost课题组使用手性亚磷酰胺配体实现了直链选择性烯丙基碳氢键不对称烷基化反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1523）；2014年龚流柱课题组通过手性有机小分子-钯联合催化体系实现了阴离子导向的烯丙基碳氢键不对称烷基化反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 12218），随后该团队发现大位阻手性亚磷酰胺配体可更加有效地促进钯催化烯丙基碳氢键活化和控制反应的选择性，先后发展了烯丙基碳氢键不对称氧化、胺化和烷基化反应。在过去的十几年的探索中，该反应存在的部分问题已得到解决。例如，传统的钯催化的烯丙基化反应主要得到直链选择性产物，难以得到支链选择性产物。近年来，由手性亚磷酰胺-钯催化体系实现的支链选择性烯丙基碳氢键不对称官能团化反应已屡有报道。同时亦发展了非活化α-烯烃参与的烯丙基碳氢键不对称官能团化反应，大大拓展了该类反应在有机合成中的应用。

近期，由中国科学技术大学龚流柱教授团队撰写的综述文章“Pd-Catalyzed Asymmetric Allylic C—H Functionalization”重点介绍了该团队近十年以来在钯催化的α-烯烃烯丙基碳氢键不对称官能团化反应领域取得的研究进展。该团队从催化剂体系、碳氢键活化模式和成键过程控制方面进行了系统研究：建立合成简便且结构多样的手性亚磷酰胺配体库，发展了高效的手性钯不对称催化体系，实现α-烯烃烯丙基碳氢键不对称烷基化反应、不对称胺化反应和不对称氧化反应，完成结构多样性的天然产物和药物分子的立体选择性合成；发现了苯醌参与的“质子-电荷”协同转移烯丙基碳氢键活化模式，实现了广谱性α-烯烃烯丙基碳氢键活化；通过亲核试剂配位导向内球成键模式，发展了支链选择性烯丙基碳氢键不对称官能团反应。

图1 钯催化的烯丙基碳氢键不对称官能团化反应

上述综述文章发表于Chin. J. Chem. 2023, 41, 1841—1848. DOI: 10.1002/cjoc.202300063。该工作得到了国家自然科学基金委、中科院青促会、安徽省自然科学基金委和中国科学技术大学的资助。

认识本文的作者们

Left to Right: Pu-Sheng Wang, Liu-Zhu Gong

龚流柱教授简介

中国科学技术大学 化学系

龚流柱：现任合肥微尺度物质科学国家研究中心低维物理与化学研究部主任。主要从事不对称有机催化、有机小分子/金属联合催化以及天然产物全合成研究，代表性学术成果有：（1）与合作者发现氨基酸酰胺能高立体选择性地催化不对称有机化学反应，提出“烯胺-双氢键”活化模型；（2）提出了“手性有机小分子/金属”联合催化的策略，发展了新型催化模式；（3）发展了钯催化的不对称烯丙基碳-氢键官能团化反应。以通讯作者在国际学术刊物发表论文200多篇，撰写中英文著作的8个章节，编撰英文专著2本。先后获中国化学会有机化学专业委员会“有机合成创造奖”，全国优秀博士学位论文指导教师，中国科学院-拜耳青年科学家奖，中国化学会-巴斯夫公司青年知识创新奖以及中国化学会“青年手性化学奖”等奖励和荣誉，以第一完成人获得安徽省科学技术奖一等奖和国家自然科学奖二等奖各一项。