他，時隔2月，再發(fā)Science，今年第4篇正刊！
納米技術
納米人
2024-10-17
馬克思·普朗克煤炭研究所Benjamin List教授和北海道大學Nobuya Tsuji教授等在Science上報道題為“Catalytic asymmetric fragmentation of cyclopropanes”的文章。作者介紹
德國馬克斯普朗克煤炭研究所所長本杰明·李斯特（Benjamin List）教授與美國科學家麥克米倫一起榮獲了2021年諾貝爾化學獎。本杰明·李斯特，1968年1月出生于德國法蘭克福一個富裕的家庭。科學研究的基因或許早就植根于這個家庭中。李斯特的曾曾祖父雅各布·福爾哈德(1834-1910) 是著名的化學家，發(fā)現(xiàn)了Volhard–Erdmann環(huán)化反應。曾祖父弗朗茨·沃爾哈德以腎病學家的身份而聞名。本杰明·李斯特教授的研究興趣集中于有機催化與合成，他是不對稱有機催化領域的開創(chuàng)者之一，發(fā)展了一種新型不對稱催化模式：手性抗衡陰離子導向的不對稱催化(ACDC)。這意味著在無金屬小分子的幫助下加速化學反應的過程，并將它們選擇性地引導到某些方向。這種方法近年來迅速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)揮著重要作用，例如使藥物的制造更加環(huán)保。而以這種方式獲得的知識也提供了關于某些對生命起源很重要的分子最初是如何形成的線索。 烷烴的立體選擇性轉化一直是化學領域的關鍵挑戰(zhàn)。雖然目前金屬酶催化劑能夠對烷烴的氧化具有優(yōu)異的表現(xiàn)和選擇性，但是烷烴的化學轉化方法一直局限于過渡金屬催化C-H鍵官能團化。在強Br?nsted酸作用下，烷烴能夠質子化生成5配位的碳正離子，隨后分解為更小的烷烴化合物。但是如何控制這個過程進行的立體選擇性仍然沒有方法。有鑒于此，Benjamin List教授和Nobuya Tsuji教授報道發(fā)現(xiàn)限域的強酸能夠以立體選擇性的方式將許多環(huán)丙烷化合物切斷，轉化為烯烴化合物。這個方法拓展了烷烴活化的領域，通過理論計算說明這個反應過程有可能包括環(huán)丙基陽離子（一種非典型結構碳正離子）。反應設計和發(fā)展
首先研究雙環(huán)[3,1,0]己烷（1a）的3-取代反應。作者設計分子不對稱加氫的反應進行去對稱化，隨后脫質子和異構反應生成烯烴。當使用比較弱的Br?nsted酸作為催化劑（磷酸、IDP（亞胺二磷酸鹽，imidodiphosphoric acid）、iIDP（空間限域亞胺二膦酸鹽）），只能得到非常差的環(huán)丙烷反應活性。但是，亞氨基二磷酰亞胺酯IPDi（imidodiphosphorimidates）7a具有良好的反應性，能夠生成2a-6a烯烴混合物。其中主要的產(chǎn)物是三個取代基修飾的烯烴2a和3a，產(chǎn)物主要為消旋形式，另外含有少量其他產(chǎn)物（4a, 5a, 6a）。催化劑的設計與優(yōu)化。作者發(fā)現(xiàn)除了立體位阻作用，增強催化劑和反應物之間的非共價相互作用對控制反應的位點選擇性和立體選擇性非常重要。作者提出BINOL（1,1′-雙-2-萘醇）的3,3′位點取代基能夠形成催化微環(huán)境，氮原子上的取代基決定了陰離子的堿性，實現(xiàn)了控制與反應物之間的靜電相互作用。因此，IDPi催化劑7b，（BINOL取代基-叔丁基結構，增強立體位阻和靜電相互作用），對生成2a-5a具有更高的區(qū)域選擇性和立體選擇性。通過將催化位點的三氟甲磺酰基替換為芳基磺酰基，增強催化位點的堿性，并且通過π-π堆疊作用提高構象的剛性，催化劑IDPi 7c得到更好的位點選擇性和立體選擇性。反應效果。之后再次對催化劑和反應條件進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)IDPi 7d具有最好的催化反應效果，得到令人滿意的產(chǎn)率和立體選擇性，優(yōu)化了反應溫度和反應時間之后，能夠以40 %的產(chǎn)率和97:3的立體選擇性生成環(huán)戊烯產(chǎn)物2a。另外還有少量3a, 4a, 5a生成，產(chǎn)率分別為6%，13%，7%，而且都具有優(yōu)異的立體選擇性。此外發(fā)現(xiàn)適中的立體選擇性生成少量6a。二級烷基取代基。反應對環(huán)烷（2a和2b）和非環(huán)烷（2c）二級烷基取代基兼容，另外對立體擁擠的三級取代基兼容，能夠以優(yōu)異產(chǎn)率和立體選擇性生成3d。一級烷基取代基。反應對一系列一級烷基取代基修飾的反應物，包括芐基（2e）、3-苯基丙基（2f）、丁基（2g）、己基（2h）都能夠兼容并且獲得優(yōu)異的立體選擇性。生成的烯烴3e能夠通過氧化反應生成醛。令人意外的是，對于較小的甲基取代基，反應仍能夠以64%的收率和93:7的立體選擇性生成對應的2i產(chǎn)物。這個結果說明IDPi催化劑對于控制尺寸較小的簡單結構烷烴的優(yōu)異效果。反應對于芐氧基（2j）或者端基烯烴（2k）取代基的烷烴同樣得到優(yōu)異的產(chǎn)率和立體選擇性，說明該反應的優(yōu)異官能團耐受性。生成的產(chǎn)物能夠通過加氫、Ritter反應、傅-克烷基化反應、甲基化-加氫反應生成其他功能型化合物。這些轉化過程不會消耗分子的立體選擇性。這個反應能夠用于雙環(huán)[4,1,0]庚烷（8）的轉化。由于催化劑對芐基碳正離子具有穩(wěn)定作用，因此對于芐氧基環(huán)己烯（9a和9b）能夠獲得高產(chǎn)率和優(yōu)異的立體選擇性。對于結構特別簡單的雙環(huán)[4,1,0]庚烷，能夠以有價值的產(chǎn)率和立體選擇性生成環(huán)己烯9c。該反應甚至能夠對非稠環(huán)化的環(huán)丙烷化合物（10）進行立體選擇性轉化，該反應化合物具有的柔性是導致其轉化面臨挑戰(zhàn)性的原因。這個反應方法能夠在更高的溫度下進行1,2-雙丙烷-環(huán)丙烷（10a）的轉化，以適中的產(chǎn)量生成雙官能團取代的手性烯烴分子（11a, 12a）。該反應同樣兼容1,2-雙丁基環(huán)丙烷（10b）。控制實驗。反應機理的一個問題是反應立體選擇性產(chǎn)生的原因來自“不對稱質子化”還是“產(chǎn)物的動力學拆分”。對2a在60℃使用催化劑7d處理，發(fā)現(xiàn)20%的2a異構化生成3a，但是2a和3a的立體結構比例并沒有改變。而且，反應生成的3a的對映體比例低于2a，說明2a的異構不可能是生成3a的主要步驟。通過烯烴4h的反應情況同樣驗證催化反應不是異構化過程。通過時間分辨1H NMR研究，發(fā)現(xiàn)在60℃進行反應，1天內產(chǎn)物4h, 5h, 6h, 13h達到最大值并且不再增加，但是3h烯烴仍不斷增加，2h不斷消耗。 DFT理論計算。通過DFT理論計算研究7d催化劑和1a的反應路線和反應機理。首先，反應物進入IDPi催化劑的內部，形成I復合物。隨后IDPi催化劑對催化劑內的反應物質子化。質子化生成碳正離子II或者非典型的碳正離子III，通過立體選擇性的質子化，分別還可能生成II′或III′。而且中間體II或II′能夠通過1,3-H原子轉移生成III或III′。但是步驟具有不同的能壘。生成III中間體之后，甲基旋轉（TS3）導致產(chǎn)生二級碳正離子IV，隨后環(huán)翻轉與IDPi催化劑自發(fā)形成共價鍵的加合物V；生成III′中間體后，甲基旋轉，隨后通過TS3′生成加合物V′，生成次要立體結構的產(chǎn)物。能量計算發(fā)現(xiàn)TS4和TS3′之間的能量差為1.3kcal/mol，這個計算的結果與實驗結果符合（1.7kcal/mol, 298.15K）。反應中生成的其他產(chǎn)物可能通過中間體的重排和脫質子化過程生成。 非共價相互作用的作用。通過IGMH方法研究非共價相互作用對立體選擇性的作用（Multiwfn軟件，一款國產(chǎn)軟件）。發(fā)現(xiàn)反應物能夠很好的穩(wěn)定在7d催化劑的TS4過渡態(tài)，同時取代基在口袋外部。但是，TS3′過渡態(tài)導致口袋被反應物撐開。計算結果明確展示了反應物和BINOL之間的強vdW相互作用。對質子化步驟TS1A、TS1B、TS1A′、TS1B′進行計算，發(fā)現(xiàn)催化劑的變形和相互作用對于控制反應選擇性非常重要。Ravindra Krushnaji Raut, Satoshi Matsutani, Fuxing Shi, Shuta Kataoka, Margareta Poje, Benjamin Mitschke, Satoshi Maeda, Nobuya Tsuji*, Benjamin List*, Catalytic asymmetric fragmentation of cyclopropanes, Science 386, 225–230 (2024)DOI: 10.1126/science.adp9061https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9061
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