2篇Nature Chemistry+3篇Nature Catalysis了解不对称手性分子的构建进展
微著 2020-05-22
研究要点:

1.   最近手性催化中的发展,在Nature ChemistryNature Catalysis上报道了一些构建手性结构的工作
2.    南方科技大学应用新方法构建手性碳
3.    吲哚生物碱大分子布雷维亚酰胺酶催化过程分析/人工全合成
4.    四川大学等单位纳米螺旋金属手性环境构建手性反应
5.    格罗宁根大学光响应配体通过调光对反应手性控制
 
一、Nature Catalysis:消旋碳原子构建手性的开创性工作
第一作者:Chang-Jiang Yang, Chi Zhang, Qiang-Shuai Gu(共同一作)
通讯作者:刘心元
通讯作者单位:南方科技大学
 
核心内容:
创新性的实现了对消旋的三级碳上C-H键胺基化并将其转变为手性中心,该工作是racemic消旋位点手性化领域的开创性工作。
 
研究意义:
过渡金属催化剂在大量C(sp3)-H对映性官能团化反应中广泛存在,但是外消旋(racemic)的三级C(sp3)-H键的对映化反应之前完全没有相关报道。该种反应过程中存在的问题在于手性的保留难以实现,为了实现这个目标,南方科技大学刘心元等通过手性Cu催化剂进行摘氢反应,并对三级C(sp3)-H实现胺基化。通过这种方法和随后的转化反应合成了含有手性季碳中心的有机分子,该工作为设计高效手性催化剂对消旋的三级C(sp3)-H对映转化反应提供了经验和参考。

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要点1. 反应优化。
通过苯甲酮基取代的芳基分子作为反应物,对无手性的苄基位点构建手性中心。首先通过TsNHNH2和底物中的羰基反应,转化为亚胺物种。随后在CuCN/轴芳烃修饰的磷酸作为催化体系,PhCO3tBuBPODTBP等作为活化C-H键的氧化剂,在室温中进行反应。通过对氧化剂和溶剂筛选,得到最优反应条件。氧化剂筛选结果显示,Ph(CH2)3CO3tBui-PrCO2i-Pr溶剂配合有最好的效果。当反应中加入2倍量Ph(CH2)3CO3tBu氧化剂,5 mol % (NH4)2CO335 ℃的Ar气氛中以63 %的产率和92 % ee值进行。

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要点2. 底物拓展。
底物拓展结果显示,芳基磺酸肼中芳基上甲基、甲氧基、氟、氯、溴、三氟甲基、羧酸甲酯、氰基、NO2等取代反应物中至少得到92 %ee值,叔丁基取代的芳基磺酸肼产物的ee值稍低(86 %)。对各种产物的产率随着芳基磺酸肼上芳环的电子浓度变化,缺电子的芳环产率偏低,富电子的芳环产率更高。
对底物上三级碳的邻位芳基兼容性进行测试,结果显示芳基上甲氧基、甲基、叔丁基、氟、氯、溴、三氟甲基、羧酸甲酯、苯乙炔基、BPin、苯并噻吩、金刚烷基等取代的底物有兼容性,其中,芳基邻位上氯取代的手性产物ee值偏低(81 %),当芳环被金刚烷基/噻吩基/叔丁基取代的手性产物ee值偏低,分别为73 %78 %80 %
 
要点3. 反应机理。
通过TEMPO捕获实验验证了该反应通过反应的自由基反应过程,通过携带环丙基的底物产物分析验证了反应自由基反应过程,通过对反应物进行D代,结果显示反应过程中反应物中的D保留,验证了反应中通过15-HAA(抓氢原子)进行。由此提出了合理的反应机理:Cu(I)催化剂和过氧化物通过单电子转移过程生成的高反应活性叔丁氧基自由基反应生成手性Cu(II)磷酸催化剂,随后叔丁氧基自由基和肼上的N-H键反应生成中心自由基,并通过分子内的1,5-HAA抓氢过程生成三级碳前手性自由基物种,最后Cu(II)催化剂和生成的三级碳自由基反应构建手性C-N键产物分子。
 
要点4. 总结。
该反应中通过连续的HAA抓氢自由基过程/手性自由基官能团化,能够兼容碳的去手性过程,因此该方法能够应用于消旋分子构建含有手性碳的分子。这种作用可能在开发消旋碳原子的手性化催化剂上引发新型催化剂的发展。

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Chang-Jiang Yang, Chi Zhang, Qiang-Shuai Gu,Jia-Heng Fang, Xiao-Long Su, Liu Ye, Yan Sun, Yu Tian, Zhong-Liang Li &Xin-Yuan Liu*. Cu-catalysed intramolecular radicalenantioconvergent tertiary β-C(sp3)–H amination of racemicketonesNature Chemistry 2020
DOI10.1038/s41929-020-0460-y
https://www.nature.com/articles/s41929-020-0460-y
 
二、Nature Catalysis & Nature Chemistry吲哚生物碱大分子布雷维亚酰胺人工合成和自然酶催化合成过程分析
第一作者:Robert C. Godfrey
通讯作者:Andrew L. Lawrence
通讯作者单位:爱丁堡大学
 
核心内容:Dia-Alder [4+2]环加成手性合成重要吲哚生物碱大分子布雷维亚酰胺
 
研究背景和意义:
海洋真菌衍生物双环[2.2.2]二氮杂烷生物碱(bicyclo[2.2.2]diazaoctane alkaloids)是广泛关注的一种功能性分子,这是因为其具有多种多样的生物活动。其中毒性代谢物(+)-布雷维亚酰胺(metabolite (+)-brevianamide)的合成复杂困难、生物作用难以理解。爱丁堡大学AndrewL. Lawrence报道了化学合成这种(+)-布雷维亚酰胺分子,该反应通过7个步骤,以7.5 %的总收率得到750 mg产物分子。其中包括了从(-)-dehydrobrevianamide(+)-brevianamide A的合成。

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本文要点:
1合成步骤。反应首先对市售L-色氨酸甲酯的胺基通过邻苯二甲酸酐(Phthalicanhydride)形成邻苯二甲酰胺实现保护,随后与9-BBNt-BuOCl/NEt3作用中反应,对C-H键活化,加成烯丙基,本步骤中的产率达到69 %。随后在DMF溶剂中与LiCl中反应,对酯上的甲基取代生成对应的锂盐,随后在(COCl)2处理生成对应的酰氯。并与脱氢脯氨酸反应,将酰氯转化为酰胺结构。随后在NH3甲醇溶液中反应,将邻苯二甲酰、酯上的甲醇基水解,并生成分子内酰胺。随后在1倍量的m-CPBA反应中,氧化吲哚的双键,并和分子中的N-H键反应,生成对应的N-C键。随后在室温中LiOH水溶液中反应0.5 h,以~60 %的收率得到最终产物。

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Robert C. Godfrey, Nicholas J.Green, Gary S. Nichol & Andrew L. Lawrence*. Total synthesis of brevianamideANature Chem. 2020,
DOI10.1038/s41557-020-0442-3
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0442-3
 
第一作者:Ying Ye, Lei Du(共同一作)
通讯作者:David H. ShermanRobert M.Williams,李盛英
通讯作者单位:密歇根大学,山东大学,科罗拉多州立大学
 
核心内容:吲哚生物碱大分子布雷维亚酰胺酶催化合成过程分析
 
研究背景和意义:
真菌类[2.2.2]双环二氮辛烷吲哚生物碱是一种重要的天然产物种类,并且有广泛的生物活性。虽然目前通过仿生策略能对代表性的化合物进行合成,但是其生物相关的性质,特别是对映异构体的组装过程和对映体代谢物(antipodal metabolites)没有得到很好的表征。Brevianamide A亚种是一类具有二氧哌嗪中心结构和3-spiro-ψ-indoxyl骨架结构,密歇根大学David H. Sherman科罗拉多州立大学Robert M. Williams、山东大学李盛英、日本熊本大学、英国牛津大学、中科院青岛市生物能源与生物工艺技术研究所等阐明了短密青霉菌(Penicillium brevicompactumNRRL 864和其代谢途径(metabolic pathway)。作者发现该过程中BvnE作为异构酶/半频哪醇酶(isomerase/semipinacolase)实现了选择性反应生成天然产物分子。对BvnE的结构解析、分子建模、突变分析,和量子化学计算为生成Brevianamide A中的3-spiro-ψ-indoxyl组分的机理进行分析。通过详细的研究结果,作者发现该过程中经历了半频哪醇重排反应(semipinacol rearrangement)和随后的分子内[4+2]Diels-Alder成环反应。

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本文要点:
1量子计算分析反应机理。对反应中通过半频哪醇重排过程生成3-spiro-ψ-indoxyl产物的过程计算显示,该过程是放热过程(ΔG=-11.6 kcal mol-1),因此该反应能够很好的进行;对Diers-Alder反应过程的计算结果显示,反应中优先对反式结构环加成源于C-HO氢键作用和立体位阻作用导致。
通过对BvnE的生物合成过程分析,发现其中通过对映体控制的[4+2]环加成反应进行,对双环[2.2.2]二氮辛烷核心结构的构建过程通过量子计算化学进行分析,计算结果支持该反应中[4+2]周环反应。

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Ying Ye, Lei Du, Xingwang Zhang, Sean A.Newmister, Morgan McCauley, Juan V. Alegre-Requena, Wei Zhang, Shuai Mu,Atsushi Minami, Amy E. Fraley, Maria L. Adrover-Castellano, Nolan A. Carney,Vikram V. Shende, Feifei Qi, Hideaki Oikawa, Hikaru Kato, Sachiko Tsukamoto,Robert S. Paton, Robert M. Williams*, David H. Sherman * & Shengying Li*. Fungal-derived brevianamide assembly by astereoselective semipinacolaseNature Catalysis 2020
DOI10.1038/s41929-020-0454-9
https://www.nature.com/articles/s41929-020-0454-9
 
三、Nature Chemistry:构建手性界面调控界面合成的手性选择性
第一作者:Xueqin Wei, Junjun Liu, Guang-Jie Xia(共同一作)
通讯作者:杨成、Wang Yang-Gang、黃陟峰
通讯作者单位:四川大学,南方科技大学,香港浸会大学
 
核心内容:构建手性表面结构,在手性表面构建手性分子。
 
在没有手性引发剂的情况中对分子构建手性结构具有较高的难度,同时是深入理解同手性(homochirality的好方法,四川大学杨成、南方科技大学Wang Yang-Gang香港浸会大学黃陟峰等通过控制螺旋金属纳米材料的偏手性(handedness)实现了对分子的手性调控,该过程中通过在基底上控制沉积分子的掠射角按照顺时针/逆时针方向旋转实现对吸附在表面分子的手性实现调控。对2-蒽羧酸分子对映性吸附在纳米螺旋金属上,形成反头对头二聚体的对映手性结构,该产物在纳米螺旋金属的手性作用中,经过光催化环加成反应会生成对应的Si-Si或者Re-Re堆叠结构:左手性/右手性的纳米螺旋金属材料生成(+)-二聚体/(-)-二聚体。密度泛函理论结果显示,光催化环加成产物的手性是由在螺旋金属材料上的手性堆叠过程导致的。

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本文要点:
(1在<10 nm的金属螺旋上修饰-NH2基团,随后将2-蒽羧酸通过和-NH2之间的相互作用负载到金属螺旋上,由于这种较小的纳米手性金属螺旋材料表面上展现增强的波浪状手性晶格结构,展现了对吸附分子结构有选择性(手性吸附能量有区别,导致优先手性选择性)。此外,这个体系能够对纳米螺旋材料近表面上的光有手性选择的吸收作用,并提供了一种通过外界条件对分子的手性结构进行调控的方法。

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Xueqin Wei, Junjun Liu, Guang-JieXia, Junhong Deng, Peng Sun, Jason J. Chruma, Wanhua Wu, Cheng Yang*, Yang-GangWang* & Zhifeng Huang*. Enantioselective photoinducedcyclodimerization of a prochiral anthracene derivative adsorbed on helicalmetal nanostructuresNature Chem 2020,
DOI10.1038/s41557-020-0453-0
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0453-0
 
四、Nature Catalysis:光响应配体结构调控反应产物的手性
第一作者:Pizzolato, S.F., Štacko, P.(共同一作)
通讯作者:Ben L. Feringa
通讯作者单位:格罗宁根大学
 
核心内容:光响应催化剂配体提供可调控手性合成环境
 
研究背景和意义:
生物体、人工系统中的手性传递和放大实现动态控制结构和功能的基本过程,目前很少有体系能够对手性有动态的传递功能或者表现为光响应的手性传感器。最近格罗宁根大学Ben L. Feringa在这个课题中取得了重要进展,他们发现了一种对光响应的亚磷酰胺配体结构,基于手性的双芳基取代基,通过改变光输入,能够调节Cu催化不对称共轭加成反应,实现相反的手性选择性。在相互对映亚磷酰胺配体作用中,每种手性的配体分子分别展现出不同的催化反应活性和手性作用,并且通过光的控制实现对产物手性的控制。在对烯烃的光聚合反应中,手性的选择性通过光进行调控,本工作为开发复杂光响应的手性催化剂体系和多功能催化剂的开发给出了可能性。

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本文要点:
1配体分子合成。通过含有双酚结构的分子作为反应物,在PCl3、有机胺、三乙胺作用中,于THF溶剂中的℃中反应,实现了将酚羟基转变为对应的膦胺组分。
        反应设计。开发了一类配体分子,具有对365 nm(S, Sp, M)-L)和420 nm(S, Sp, P)-L)光的反应性,分别在365 nm420 nm光照射作用中实现手性结构的调控。通过光的作用,在365 nm光中,配体和Cu组成的Cu(S, Rp, M)-L的手性催化体系对(R)手性产物有更好的选择性;在420 nm光中,配体和Cu组成的Cu(S, Rp, P)-L的手性催化体系对(S)手性产物有更好的选择性。
2对催化反应动力学过程进行表征,结果显示在60 min反应过程中,分别展现了对(R)手性产物得到58 %ee值,转化频率为133 h-1;对(S)手性产物得到43 %ee值,转化频率170 h-1

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Stefano F. Pizzolato, PeterŠtacko, Jos C. M. Kistemaker, Thomas van Leeuwen & Ben L. Feringa*. Phosphoramidite-basedphotoresponsive ligands displaying multifold transfer of chirality in dynamicenantioselective metal catalysisNature Catalysis 2020
DOI10.1038/s41929-020-0452-y
https://www.nature.com/articles/s41929-020-0452-y
 
手性的重要性(摘自百度百科)
手性是宇宙间的普遍特征,体现在生命的产生和演变过程中。例如,自然界存在的糖以及核酸、淀粉、纤维素中的糖单元,都为D—构型;地球上的一切生物大分子的基元材料α—氨基酸,绝大多数为L—构型;蛋白质和DNA的螺旋构象是右旋的;而且人们还发现,海螺的螺纹和缠绕植物也都是右旋的。

生物体内存在着手性环境,作用于生物体内的药物及农药,其药效作用多与它们和体内靶分子间的手性匹配和手性相关。在用于治疗的药物中,有许多是手性药物。(https://baike.baidu.com/item/手性分子)

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