手性配体金属络合物催化的1_3_偶极环加成反应讲解

1、秦伟艳等,手性配体金属络合物催化的1,3-偶极环加成反应Vol.27.No.4,2005? 244?手性配体金属络合物催化的1,3-偶极环加成反应 秦伟艳，刘波，由君(哈尔滨理工大学化学与环境工程学院，黑龙江哈尔滨150080)摘要:综述了手性配体金属络合物催化剂催化1,3-偶极环加成反应的研究进展。主要介绍了唑硼烷催化剂以及aa , a-四芳基-1,3-二氧戊环-4,5-二甲醇、双唑啉、联萘二酚等手性配体的金属络合物在不同反应中的立体选择性。 关键词：1,3-偶极环加反应；不对称合成；立体选择性；手性配体;络合物中图分类号:TQ426192文献标识码:A文章编号:1001-0017(2005

2、)04-0244-041.3- DipolarCycloadditio nReactio nsCatalyzedbyChiralLiga ndsMetalComplexes QINWei-ya n, LIUBoa ndYOUJu n(CollegeofChemicala ndEn viro nmen talE ngin eeri ng,Harbi nUn iversityofScie ncean d,Harb in ,H150080,Chi na)Abstract:Theresearchadva ncesofthechiralliga ndsmetalcomplexescatalysts1,3

3、reactio nsw erereviewed inthispaper.thecatalystsofoxazaborolidi non easwellasthestereoselectiveityofplexes,- tetraaryl-1,3-diox2ala ne-4,5-dimetha nol(TADDOL),bisoxazoli ne,1,1-2-oKeywords:1,3- dipolar;chiralliga nds;complexes、八刖 言1.3- 偶极环加成反应是合成五元杂环化合物后,Murahash等人开始研究此类反应的不对称合成，但是不对称性是由底物的手性 诱导的2,3

4、。 1994年,Gothelf等首次报道了非手性底物在手性金属催化剂存在下的1,3-偶极环加成反应4,开始了使用非手性底物合成光学活性产物的阶段。十年来众多的学者在这 一领域的研究取得了重大进展，本文将对这些重要的研究结果作一简单介绍。常用的方法之一，由于在反应中同时生成2个共价键，可能产生4个手性中心,16个 立体异构体,加上区域选择异构体和endo/exo选择异构体，一个1,3-偶极环加成反 应最多可产生64个异构体。所以1,3-偶极环加成反应的立体选择性问题一直是有 机化学中的重要研究课题之一。大多数1,3-偶极环加成反应具有良好的区域选择性，所以研究工作主要集中在其立 体选择性方面。要

5、得到具有光学活性的环加成产物，可以采用3种方法:使用光学活性的烯烃、使用光学活性的偶极试剂或者使用光学活性的催化剂。由于高效的 手性催化剂可能使非手性偶极试剂与非手性烯烃的反应具有良好的立体选择性，所以手性金属催化的1,3-偶极环加成反应成为当今有机合成，特别是不对1手性唑硼烷催化剂1994年,Gothelf等人第一次把手性唑硼烷用于非手性烯烃的不对称1,3-偶极环加成反应。他们发现硝酮与路易斯酸的络合大大加速了 1,3-偶极环加成反应。在某些反应中，由于催化剂的诱导，可以产生很好的 对映选择性4。(如图14（血0）Phr/OEtJR23b:R3=H2a：RMf 3a:R2=Bu 4a:R c

6、at=3a 2b:RMe 3b:R2=H YieldlOT, ee-74%4b:K -Me, cat=3b trans=100:0, ee-621fi)称合成的研究热点之一。1992年,Kanemasa等人用 Znl2,TiCI2(Oi-Pr)3和TiCI2(Oi-Pr)2等路易斯酸做催化剂，催化硝酮与烯烃的反应。第一次把金属催 化剂应用于1,3-偶极环加成反应，尽管产物仍然是外消旋的1,但迈出了金属催化 的1,3-偶极环加成反应的第一步。随图1Scheeren等人研究了各种N-甲苯磺酰基唑硼烷的衍生物，把它们用于硝酮1和 2b 的 1,3-偶收稿日期:2005-01-04作者简介:秦伟艳(1

7、979-),女,山东省莱阳人，硕士，从事有机合成方面的研究。化学与黏合2005 年第 27卷第 4 期 CHEMISTRYANDADHESION ? 245?极环加成反应中。其中助溶剂起关键性的作用。催化剂3b是由相应的氨基酸与BH3? THF合成的,THF就是助溶剂。在这个反应中得到 62%ee的(-)-4b。如果 催化剂是由氨基酸与BH3? SMe2合成的，则加入二苯醚，会得到79%ee的(+)-4b,对 映选择性发生了倒转。他们还用唑硼烷催化环状的和非环状的乙烯基醚与硝酮的1,3-偶极环加成反应，但是对映选择性不是很高6。10mol%的催化剂TADDOLate-TiCI2存在时,在甲苯或

8、石油醚中，0C至室温即可反应(如图2),反应产率很高,endo:exo值为10:90,endo和exo异构体的ee值分别为60%和62%。exo异构体经重结晶其ee值可提高到95%4,7。这种催化剂被成功应用于许多种不对称合成反应中，其中包括Diels-Alder反应8。一般认为反应速率的提高是通过烯烃 5与钛催化剂形成齿状络合物而获得 的。通过这种络合，烯烃的最低空轨道能量降低了很多，加快了烯烃与硝酮的反 应。催化剂6和N-肉桂酰基 唑烷酮形成的中间体已经以晶2手性TADDOL-TiCl2络合物催化剂1994年,Gothelf等人把手性TADDOL的钛络合物用于烯烃5和硝酮1的1,3-偶极环

9、加成反应中。在没有催化剂时需要升高温度才能进行，而在体的形式被分离出来,Gothelf等人用X-射线结晶学对其进行了表征9,证实了上述 推断用琥珀酰亚胺代替唑烷酮为反应物,可提高TiCI2-TADD0L催化剂存在下反应的exo/endo选择性10。琥珀酰亚胺衍生物8和硝酮1在5mol%的催化剂6 作用下,-2010C反应得9,其endo:exo比值为5:95(如图3),exo异构体的ee值为 72%。另外,此催化剂还被用于重氮烷与烯烃的1,3-偶极环加成反应，反应的产率很 高，但立体选择性不高11O1996年,Gothelf等人研究了以手性双唑啉为配体的金属络合物(如图4),它们对硝酮与烯烃的

10、反应活性及立体选择性都有很好的催化作用(S)-10a:X=l lt=Mg, R=Ph(S)-10b: X-OTfT M=ZnT R=t-Bu(S)-10c:X=0Tf, M=Cu, R=t-Buo图4手性Mgl2-双唑啉催化剂(S)-10a能使烯烃与硝酮的反应具有很高的 endo 选择性和较高的对映选择性(如图5)。在(S)-10a存在下，硝酮1与烯烃11反应所得 产物 12 的 endo:exo值为 73:27。图33手性双唑啉金属络合物催化剂endo异构体的ee值可达82%10,12,绝对构型为(3S,4R)LI图5）和zn（ n）-双 唑啉手性催化剂（S）- Cu（ n10c和（S）-1

11、0b对硝酮与烯烃的1,3-偶极环加成反应也有较好的催化作用。例如 （S）-10c与硝酮以二齿形式络合，室温即可与乙烯基醚发生反应，产率和对映体选择性都 较高，其中endo异构体的对映选择性可达到 94%ee13。（如图6）。1314endo-1594* ee秦伟艳等,手性配体金属络合物催化的1,3-偶极环加成反应Vol.27.No.4,2005? 246?药、农药、香料及食品添加剂等方面的应用日益受到重视。已被作为拆分试剂，诱导试剂，位移试剂,有机合成的引发剂及不对称催化反 应中的活化剂等广泛用于控制不对称合成。另外，它们能与许多金属形成配合物， 这些配合物在立体选择性反应中有重图64联萘二酚

12、及其衍生物联萘二酚（BINOL）及其衍生物（如BINAP等）是一类具有C2对称轴的手性分子，它 在制备手性医要的应用。Furukawa等人把手性（S）-BINAP与钯的络合物16用于图7的反应中14,15。在10mol%的这种催化剂存在下，反应所得endo异构体的对映选择性高达91%ee1999年-BINOL-AIMe19硝酮与乙烯基醚的反应16。如图8中所示,在 10mol%的催化剂作用下6h后得exo异构体的ee值可达97%。接着，他们又把此 催化剂用于环硝酮与乙烯基醚的反应，所得exo异构体的非对映选择性一般大于 90%,有的反应ee值能达到85%17171819eio-20R=p Cl

13、Ph72%,endo:exo99:1 且 endo异构体的 ee值为 78%2126图105结论综上所述，关于手性配体金属催化剂催化的1,3-偶极环加成反应的研究近年来已取 得了重大进图8Hodgson18和Hashimoto19分别研究了手性铑配合物对羰基叶利德环加成反应的催化诱导作用，但是选择性不理想。最近Hodgson 研究发现,联萘二酚衍生物的铑催化剂22(R=C12H25)能使化合物21发生分子内的 环加成反应。产物24的收率为66%,虽然不太高，但是对映选择性高达90%ee200展,除上面介绍的几种研究较多的催化剂外，还有许多对专一反应有效的手性金属 催化剂。其中有一些已具备了应用

14、于有机合成和工业生产的基本条件。由于手性 金属催化剂具有使用方便，选择性高，使用成本低等优点，在这方面的研究工作已经 成为有机合成技术研究中的重要课题。可以预料，将会有更多，更加有效的手性金 属催化剂被发现被研究，这必将促进有关不对称1,3-偶极环加成反应研究工作的进 一步发展。参考文献：1 KANEMASAS,UEMURAT,WADAE.Lewisacid-catalyzed nitro ne cycloadditionstobidentateandtridentate - a , Bun saturatedket on es.Highrateaccelerati on ,absolutel

15、ye ndo-selectivea ndregioselective 图9reactio nsJ.Tetrahedro nLett.1992,33(51):7884 7892.2 KATAGIRIN,OKADAM,KANEKOC,FURUYAT.Sy nthesisofchi2ralcyclic nitro nesviaa nitrosokete nein termediatea ndtheiruseforthecompleteEPCs yn thesis ofnon protei nogen icami no acidsJ.Tetrahe2dron Lett.1996,37(11):1801

16、 1804.图10中所示的联萘二酚的镱催化剂26,它与三甲基哌啶络合能对映选择催化硝酮25(R=Bn)与烯烃5的1,3-偶极环加成反应(如图10),产率为化学与黏合2005 年第 27卷第 4 期 CHEMISTRYANDADHESION ? 247?3 DEGIORGIS F, LOMBARDOM,TROMBINIC.S yn thesisoffour stereoisomersof5-am ino-2,5-dideoxy-hept ono -1,5-lac2tamsJ.Tetrahedro n1997,53(34):1172 什 11730.4 GOTHELFKVJORGENSENKA.T

17、ra nsitio n-metalcatalyzedasym2 metric1,3-dipolarcycloadditio nreactio nsbetwee nalke nesa ndni 2tro nesJ.J.Org.Chem.1994,59(19): 56875691.5 SEERDENJ-PG,KUYPERSMMM,SCHEERENHW.Dramaticsolve ntseffects on thee nan tioselectivityofchiraloxazabordidi necat2alyzedasymmetric1,3- dipolarcycloadditio nsofni

18、tro neswithkete neacetalsJ.Tetrahedro nAsymmetry.1995,6(6): 1441 1450.6 SEERDENJ-PG,KUYPERSMMM,SCHEERENHW.1,3- Dipolarcycloadditio nreactio nsofnitro neswithalkylvi nyletherscat2alyzedbychiraloxazabo rolidi nesJ.Tetrahedro n.1997,53(34):1184A 11852.7 GOTHELFKV,THOMSENI,JORGENSENKA .A highlydiastereo

19、s2electivea ndenan tioselectiveTi(OTos)2-TADDOLate-catalyzed1,3- dipolarcycloadditio nreactio no falke neswith nitro nesJ.J.Am.Chem.Soc.1996,118(1):54 64.13 JENSENKB,HAZELLRG,JORGENSENKA.Copper(II)-bisox2azoli necatalyzedasymmetric1,3-ipolar.Cycloadditio nreactio nsofnitro neswithelectro n- richalke

20、 nesJ .J .Org.Chem.1999,64:2352360.14 HORIK,KODAMAH,OHTAT,FURUKAWAI.Palladium-cat2 alyzedasymmetric1,3-dipolarcycloadditio no fnitro nestoolefi nsJ.Tetrahedro nLett.1996,37(33):59475950.15 HORIK,KODAMAH,OHTAT,FURUKAWAI.Palladium-cat2alyzedasymmetric1,3-dipolarcycloadditio no fnitro nesto3-alke no yl

21、-1,3-oxazolidi n-2- on esJ .J .Org.Chem.1999,64(14):5015023.16 SIMONSENKB,BAY NP,HAZELLRG,GOTHELFKV,JOR2GENSENKA.Catalytice nan tioselective in verse-electr on dema nd1,3- dipolarcycloadditio nreactio nsofnitro neswithalke nesJ .J. Am.Chem.Soc.1999,121(16):384旷 3853.17 JENSENKB,ROBERSONMNSENKA.Catal

22、ytice nan tios2 elective3-dipolarofcyclic nitro nes:Asimtheofactiveisoqui noli ne.J.,65(26):9080 9084. 18MLEPA,JOHNSTONEC.Catalytice nan tiose2lectiveta ndemcarb on ylylideformatio n-cycloadditio n J.Tetrahe2dron Lett.1997,38(36):6471 6472.8 NARASAKAK,IWASAWAN,INOUEM,YAMADAT,NAKASHIAM,SUGIMORIJ.Asym

23、metricDiels-Alderbya2raltita niumreage ntJ.)5345.9 GOTHELFKVNSENKA.Crystalstructureofachiraltita nium-catalyst-alke necomplex.The in termediatei ncatalyticasymmetricDiels-Aldera nd1,3-dipolarcycloadditio nre2actio nsJ .J .Am.Chem.Soc.1995,117(15):4434436.10 GOTHELFKV,HAZELLRG,JORGENSENKA.Co ntrolofd

24、i2astereo-a ndenan tio-selectivity inm etal-catalyzed1,3-dipolarcycloadditio nreactio nsofnitro neswithalke nes.Experime ntala ndthe2oreticali nv esti gatio nsJ.J.Org.Chem.1996,61(1):34355.11GOTHELFKV,JORGENSENKA.Asymmetric1,3-dipolarcy2cloadditio nreactio nsJ.Chem.Rev.1998,98(2):86910.12 GOTHELFKV,

25、HAZELLRG,JORGENSENKA.Molecularsievedepe nden tabsolutestereoselectivityi nasymmetriccatalytic1,3-dipolarcycloadditio nreactio nsJ.J.Org.Chem.1998,63(16):5485488.19 KITAGAKIS,YASUGAHIRAM,ANADAM,NAKAJIMAM,HASHIMOTOS.E nan tioselectivei ntermolecular1,3-dipolarcy2cloadditio nviaester- derivedcarb ony lylideformati on catalyzedbychiraldirhodium(II)carboxylatesJ.Tetrahedr on Lett.2000,41(31):5931 5935.20 HODGSONDM,LABANDEAH,PIERARDFYTM,CASTROM AE.Thescopeofcatalytice n