周 雷，李 珅

(天津大學(xué)理學(xué)院，天津 300350)

手性氮氧化合物參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)研究進(jìn)展

周 雷，李 珅

(天津大學(xué)理學(xué)院，天津 300350)

手性氮氧化合物具有良好的親電、親核能力，作為有機(jī)小分子催化劑備受關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)，但其在不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)中的應(yīng)用還不多見(jiàn)。綜述了手性氮氧化合物參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)研究進(jìn)展，按照催化劑的種類(lèi)，分別介紹了手性吡啶/喹啉-N-氧化物和手性叔胺-N-氧化物作為催化劑參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)。

手性氮氧化合物；有機(jī)小分子；不對(duì)稱(chēng)催化

在自然界中，很多物質(zhì)都具有手性。人們?cè)O(shè)計(jì)了很多手性催化劑[1]，通過(guò)不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)合成了各種各樣的手性化合物。然而，催化劑不是萬(wàn)能的，它很難做到適用于所有的反應(yīng)底物。因此，針對(duì)不同種類(lèi)的化學(xué)反應(yīng)，我們需要設(shè)計(jì)不同的催化劑，以取得令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

手性氮氧化合物由于氮-氧偶極具有較強(qiáng)的極性，因而可作為電子的給予體或者接納體，表現(xiàn)出良好的親電、親核能力。近年來(lái)，手性氮氧化合物作為有機(jī)小分子催化劑備受關(guān)注，但其在不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)中的應(yīng)用還不多見(jiàn)。隨著不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)研究的深入，尋找新的、有效的手性氮氧化合物催化劑是化學(xué)工作者們不斷努力的目標(biāo)之一。作者在此綜述了2種手性氮氧化合物(手性吡啶/喹啉-N-氧化物、手性叔胺-N-氧化物)參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)的研究進(jìn)展，擬為手性氮氧化合物在不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)中的應(yīng)用提供幫助。

1 手性吡啶/喹啉-N-氧化物作為催化劑參與的反應(yīng)

1997年，Nakajima等[2]成功拆分出具有C2對(duì)稱(chēng)2,2′-聯(lián)二喹啉骨架的手性喹啉-N-氧化物1，并將其用于催化醛的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)[3]，以85%的收率、88%的對(duì)映選擇性合成了手性高烯丙醇2。手性喹啉-N-氧化物催化不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)開(kāi)創(chuàng)了喹啉-N-氧化物在有機(jī)合成中的新紀(jì)元。手性喹啉-N-氧化物1中的2個(gè)氧原子可以與反應(yīng)物中的硅原子配位，形成穩(wěn)定的六元環(huán)狀過(guò)渡態(tài)3，從而實(shí)現(xiàn)了良好的手性控制。如圖1所示。

圖1 手性喹啉-N-氧化物1催化的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)Fig.1 Asymmetric allylic reaction catalyzedby chiral quinoline-N-oxide 1

Zhao等[4]用一種雙氮氧催化劑4對(duì)芳香醛進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)催化，以11%～67%的收率和15%～65%的對(duì)映選擇性獲得了目標(biāo)產(chǎn)物(圖2)。當(dāng)苯基上連有供電子基時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物的收率和對(duì)映選擇性要高于苯基上連有吸電子基時(shí)的結(jié)果；當(dāng)苯基的對(duì)位連有甲氧基時(shí)，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性只有3%。

圖2 手性吡啶-N-氧化物4催化的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)Fig.2 Asymmetric allylic reaction catalyzedby chiral pyride-N-oxide 4

Kocovsky課題組[5-6]以(+)-諾蒎酮為原料設(shè)計(jì)合成了一系列手性吡啶-N-氧化物5(圖3)，并將其用于催化醛的不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)。底物為芳香醛時(shí)所得產(chǎn)物的收率和對(duì)映選擇性較高；底物為脂肪醛時(shí)所得產(chǎn)物的收率和對(duì)映選擇性較低；底物為不飽和醛時(shí)所得產(chǎn)物的對(duì)映選擇性較底物為同結(jié)構(gòu)的飽和醛所得產(chǎn)物的對(duì)映選擇性高，表明該催化反應(yīng)中存在π共軛效應(yīng)。

2009年，Kocovsky課題組[7]又將催化劑5應(yīng)用于環(huán)氧化合物的開(kāi)環(huán)反應(yīng)，產(chǎn)物收率高達(dá)98%，對(duì)映選擇性高達(dá)90%(圖4)。催化劑5對(duì)七、八、十二元環(huán)有著較好的催化效果，而對(duì)六元環(huán)的催化效果較差，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性不高。當(dāng)環(huán)上有不飽和基團(tuán)時(shí)，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性下降。

圖3 手性吡啶-N-氧化物5催化的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)Fig.3 Asymmetric allylic reaction catalyzed by chiral pyride-N-oxide 5

圖4 手性吡啶-N-氧化物5催化的不對(duì)稱(chēng)開(kāi)環(huán)反應(yīng)Fig.4 Asymmetric ring-opening reaction catalyzedby chiral pyride-N-oxide 5

Ramanathan課題組[8-9]設(shè)計(jì)合成了一種雙氮氧催化劑6，并將其應(yīng)用于環(huán)氧化合物的開(kāi)環(huán)反應(yīng)，以65%～96%的收率和22%～93%的對(duì)映選擇性獲得了目標(biāo)產(chǎn)物(圖5)。當(dāng)催化劑用量由0.5%(摩爾分?jǐn)?shù))減少到0.1%時(shí)，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性變化不大。

圖5 手性吡啶-N-氧化物6催化的不對(duì)稱(chēng)開(kāi)環(huán)反應(yīng)Fig.5 Asymmetric ring-opening reaction catalyzedby chiral pyride-N-oxide 6

2015年，Zhu課題組[10]利用一種較大分子結(jié)構(gòu)的吡啶氮氧催化劑7成功實(shí)現(xiàn)了醛的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)(圖6)，并研究了底物醛的分子結(jié)構(gòu)大小與反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)醛的分子結(jié)構(gòu)較小時(shí)，升高反應(yīng)溫度，容易形成副產(chǎn)物，導(dǎo)致收率降低。因此，該反應(yīng)所用底物醛的分子結(jié)構(gòu)均較大。

圖6 手性吡啶-N-氧化物7催化的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)Fig.6 Asymmetric allylic reaction catalyzed bychiral pyride-N-oxide 7

2016年，Kotora課題組[11]將吡啶氮氧化合物8應(yīng)用于不飽和醛的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)，產(chǎn)物收率最高達(dá)到79%，對(duì)映選擇性最高達(dá)到98%(圖7)。手性磷酸催化劑9的催化效果要優(yōu)于吡啶氮氧化合物8。該反應(yīng)的相關(guān)產(chǎn)物可以應(yīng)用于一些自然產(chǎn)物的合成過(guò)程中，提高了該反應(yīng)的實(shí)用價(jià)值。

圖7 手性吡啶-N-氧化物8催化的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)Fig.7 Asymmetric allylic reaction catalyzed bychiral pyride-N-oxide 8

2 手性叔胺-N-氧化物作為催化劑參與的反應(yīng)

在胺-N-氧化物中，除氮雜芳環(huán)N-氧化物外，叔胺也可以被氧化成叔胺-N-氧化物參與不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)。2005年，Hoveyda課題組[12]從脯氨酸出發(fā)，合成了一系列手性叔胺-N-氧化物10，并將其應(yīng)用于芳香醛的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)中，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性高達(dá)71%～92%(圖8)。這是烷基胺-N-氧化物作為手性催化劑應(yīng)用于不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)的首例報(bào)道。

圖8 手性叔胺-N-氧化物10催化的不對(duì)稱(chēng)烯丙基化反應(yīng)Fig.8 Asymmetric allylic reaction catalyzed bychiral tertiary amine-N-oxide 10

Feng課題組[13]從光學(xué)活性的氨基酸出發(fā)，設(shè)計(jì)合成了多種具有C2對(duì)稱(chēng)的雙氮氧偶極化合物11，將其用于催化酮的不對(duì)稱(chēng)硅氰化反應(yīng)，產(chǎn)物收率達(dá)到73%～99%、對(duì)映選擇性達(dá)到85%～93%(圖9)。當(dāng)酮上連有供電子基團(tuán)時(shí)，催化效果較差；當(dāng)酮上連有吸電子基團(tuán)時(shí)，催化效果較好，產(chǎn)物收率和對(duì)映選擇性都有提升。該反應(yīng)對(duì)空氣和濕度并不敏感。

圖9 手性叔胺-N-氧化物11催化的不對(duì)稱(chēng)硅氰化反應(yīng)Fig.9 Asymmetric silicon cyanide reaction catalyzed bychiral tertiary amine-N-oxide 11

Feng課題組[14]還設(shè)計(jì)合成了一種新的手性雙氮氧化合物12，并將其用于催化醛、胺和氰基硅烷的三組分Strecker 反應(yīng)，也以60%～99%的收率和80%～95%的對(duì)映選擇性取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果(圖10)。該反應(yīng)通過(guò)一鍋法完成，且對(duì)于芳香族和脂肪族的底物都可得到不錯(cuò)的結(jié)果。反應(yīng)過(guò)程中，胺-N-氧化物中的2個(gè)氧原子與反應(yīng)物中的硅原子配位，形成十三元環(huán)過(guò)渡態(tài)13，從而實(shí)現(xiàn)了良好的手性控制。

鹵代反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中一類(lèi)重要的基礎(chǔ)反應(yīng)，但是不對(duì)稱(chēng)鹵代反應(yīng)在近些年才得到發(fā)展[15-18]。2010年，F(xiàn)eng課題組[19]利用一種手性雙氮氧催化劑14實(shí)現(xiàn)了β-酮酸酯的α位氯代反應(yīng)(圖11)。該反應(yīng)體系簡(jiǎn)單，不需要加入添加劑，而且對(duì)空氣和水并不敏感，其產(chǎn)物對(duì)映選擇性最高達(dá)到98%。該催化劑良好的催化效果進(jìn)一步推動(dòng)了不對(duì)稱(chēng)鹵代反應(yīng)的發(fā)展。

圖10 手性叔胺-N-氧化物12催化的三組分不對(duì)稱(chēng)Strecker反應(yīng)Fig.10 Three component asymmetric Strecker reactioncatalyzed by chiral tertiary amine-N-oxide 12

圖11 手性叔胺-N-氧化物14催化的不對(duì)稱(chēng)鹵代反應(yīng)Fig.11 Asymmetric halogenation reaction catalyzed bychiral tertiary amine-N-oxide 14

二氫吡喃及其衍生物是一類(lèi)重要的雜環(huán)化合物，廣泛應(yīng)用于自然產(chǎn)物的合成，這類(lèi)化合物還具有生物活性，在相關(guān)的抗癌藥物合成中占據(jù)著重要地位。2013年，F(xiàn)eng等[20]巧妙地利用一種雙氮氧手性催化劑15，通過(guò)一步法成功合成了一類(lèi)二氫吡喃化合物，收率和對(duì)映選擇性最高都達(dá)到99%(圖12)。該類(lèi)二氫吡喃化合物的合成也進(jìn)一步擴(kuò)展了該類(lèi)雙氮氧手性催化劑的應(yīng)用范圍。

二氫呋喃化合物同樣具有生物活性，廣泛存在于各類(lèi)自然產(chǎn)物中。2015年，F(xiàn)eng等[21]又利用雙氮氧手性催化劑16，巧妙利用1,3-環(huán)己二酮衍生物和溴代硝基苯乙烯衍生物的 Michael烷基化反應(yīng)一步合成了手性二氫呋喃類(lèi)化合物(圖13)。

圖12 手性叔胺-N-氧化物15催化的不對(duì)稱(chēng)Michael加成反應(yīng)Fig.12 Asymmetric Michael addition reactioncatalyzed by chiral tertiary amine-N-oxide 15

圖13 手性叔胺-N-氧化物16催化的不對(duì)稱(chēng)Michael烷基化反應(yīng)Fig.13 Asymmetric Michael alkylation reactioncatalyzed by chiral tertiary amine-N-oxide 16

2016年，F(xiàn)eng等[22]又利用雙氮氧手性催化劑17催化溴代硝基苯乙烯衍生物和α取代的氰基酮類(lèi)衍生物通過(guò)Michael烷基化反應(yīng)一步合成了手性四氫呋喃類(lèi)化合物，產(chǎn)物的對(duì)映選擇性最高可以達(dá)到93%。

圖14 手性叔胺-N-氧化物17催化的不對(duì)稱(chēng)Michael烷基化反應(yīng)Fig.14 Asymmetric Michael alkylation reaction catalyzedby chiral tertiary amine-N-oxide 17

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)手性氮氧化合物參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但仍有其應(yīng)用的局限性，它僅在不對(duì)稱(chēng) Sakurai-Hosomi、Strecker、Michael和開(kāi)環(huán)等反應(yīng)中有較好的應(yīng)用，還有大量的反應(yīng)類(lèi)型有待拓展。因此，設(shè)計(jì)新的、有效的手性氮氧化合物催化劑具有重要意義。

[1] YOON T P,JACOBSEN E N.Privileged chiral catalysts[J].Science,2003,299(5613):1691-1693.

[2] NAKAJIMA M,SASAKI Y,SHIRO M,et al.A novel axially dissymmetric chiral ligand based on amineN-oxide:(R)- and(S)-3,3′-dimethyl-2,2′-biquinolineN,N′-dioxide[J].Tetrahedron:Asymmetry,1997,8(3):341-344.

[3] NAKAJIMA M,SAITO M,SHIRO M,et al.(S)-3,3′-dimethyl-2,2′-biquinolineN,N′-dioxide as an efficient catalyst for enantioselective addition of allyltrichlorosilanes to aldehydes[J].Journal of the American Chemical Society,1998,120(25):6419-6420.

[4] ZHAO H W,YUE Y Y,LI H L,et al.Asymmetric synthesis of novel axially chiral 2,2′-bipyridineN,N′-dioxides bearing α-amino acid residues and their applications in enantioselective allylation of aromatic aldehydes with allyltrichlorosilane[J].Chinese Journal of Chemistry,2013,31(4):485-493.

[5] MALKOV A V,ORSINI M,PERNAZZA D,et al.Chiral 2,2′-bipyridine-typeN-monoxides as organocatalysts in the enantioselective allylation of aldehydes with allyltrichlorosilane[J].Organic Letters,2002,4(6):1047-1049.

[6] MALKOV A V,BELL M,ORSINI M,et al.New Lewis-basicN-oxides as chiral organocatalysts in asymmetric allylation of aldehydes[J].Journal of Organic Chemistry,2003,68(25):9659-9668.

[8] GNANAMANI E,SOMESHWAR N,RAMANATHAN C R.Conformationally rigid chiral pyridineN-oxides as organocatalyst:asymmetric allylation of aldehydes[J].Advanced Synthesis & Catalysis,2012,354(11/12):2101-2106.

[9] GNANAMANI E,NAGAMALLA S,SAYNJEEVI J,et al.Conformationally rigid chiral bicyclic skeleton-tethered bipyridineN,N′-dioxide as organocatalyst:asymmetric ring opening ofmeso-epoxides[J].Advanced Synthesis & Catalysis,2014,356(10):2219-2223.

[10] LIU L,YANG Q,YU H,et al.Fitness of driving force and catalytic space in chiral catalyst design.application of axial biscarboline N-O chiral catalyst for enantioselective allylation of allyltrichlorosilane to bulky substituted aldehydes[J].Tetrahedron,2015,71(21):3296-3302.

[11] KOUKAL P,ULC J,NECAS D,et al.Enantioselective allylation ofβ-haloacrylaldehydes:formal total syntheses of pteroenone and antillatoxin[J].European Journal of Organic Chemistry,2016,47(12):2110-2114.

[12] TRAVERSE J F,ZHAO Y,HOVEYDA A H,et al.Proline-basedN-oxides as readily available and modular chiral catalysts.enantioselective reactions of allyltrichlorosilane with aldehydes[J].Organic Letters,2005,7(15):3151-3154.

[13] QIN B,LIU X H,SHI J,et al.Enantioselective cyanosilylation ofα,α-dialkoxy ketones catalyzed by proline-derivedin-situ-preparedN-oxide as bifunctional organocatalyst[J].Journal of Organic Chemistry,2007,72(7):2374-2378.

[14] WEN Y H,GAO B,FU Y Z,et al.Asymmetric three-component Strecker reactions catalyzed bytrans-4-hydroxy-L-proline-derivedN,N′-dioxides[J].Chemistry-A European Journal,2008,14(22):6789-6795.

[15] HONG M,ZHAO Y,SU W,et al.A silver(Ⅰ) coordination polymer chain containing nanosized tubes with anionic and solvent molecule guests[J].Angewandte Chemie International Edition,2000,39(14):2468-2470.

[16] HAMASHIMA Y,YAGI K,TAKANO H,et al.An efficient enantioselective fluorination of variousβ-ketoesters catalyzed by chiral palladium complexes[J].Journal of the American Chemical Society,2002,124(49):14530-14531.

[17] MARIGO M,FIELENBACH D,BRAUNTON A,et al.Enantioselective formation of stereogenic carbon-fluorine centers by a simple catalytic method[J].Angewandte Chemie International Edition,2005,44(24):3703-3706.

[18] AMATORE M,BEESON T D,BROWN S P,et al.Enantioselective linchpin catalysis by SOMO catalysis:an approach to the asymmetricα-chlorination of aldehydes and terminal epoxide formation[J].Angewandte Chemie International Edition,2009,48(28):5121-5124.

[19] CAI Y F,WANG W T,SHEN K,et al.Highly enantioselectiveα-chlorination of cyclicβ-ketoesters catalyzed byN,N′-dioxide using NCS as the chlorine source[J].Chemical Communications,2010,46(8):1250-1252.

[20] FENG J H,FU X,CHEN Z L,et al.Efficient enantioselective synthesis of dihydropyrans using a chiralN,N′-dioxide as organocatalyst[J].Organic Letters,2013,15(11):2640-2643.

[21] FENG J H,LIN L L,YU K R,et al.Asymmetric synthesis of dihydrofuransviaorganocatalytic domino Michael-alkylation reaction[J].Advanced Synthesis & Catalysis,2015,357(6):1305-1310.

[22] FENG J H,YUAN X,LUO W W,et al.ChiralN,N′-dioxide-organocatalyzed regio-,diastereo- and enantioselective Michael addition-alkylation reaction[J].Chemistry-A European Journal,2016,22(44):15650-15653.

ResearchProgressinAsymmetricCatalyticReactionsinthePresenceofChiralOxynitride

ZHOU Lei,LI Shen

(SchoolofScience,TianjinUniversity,Tianjin300350,China)

Chiral oxynitrides have good electrophilic ability and nucleophilic ability.As small organocatalysts,chiral oxynitrides are widely used in various chemical reactions,but their applications in asymmetric catalytic reaction are rare.We summarize the research progress of asymmetric catalytic reactions involving chiral oxynitrides.According to the catalyst type,we introduce the asymmetric catalytic reactions catalyzed by chiral pyridine/quinoline-N-oxide and chiral tertiary amine-N-oxide.

chiral oxynitride;small organic molecule;asymmetric catalysis

O621.34

A

1672-5425(2017)10-0006-05

2017-05-15

周雷(1988-)，男，河北滄州人，碩士研究生，研究方向：非金屬催化，E-mail：zhou7892449@163.com；通訊作者：李珅，副教授，E-mail：shenli@tju.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.10.002

周雷，李珅.手性氮氧化合物參與的不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(10)：6-10.