平面手性[2.2]副环芳烃联芳基膦(PCP-BPhos)库:合理设计、催化合成及应用

时间:2026年3月7日
来源:Science Bulletin

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本研究通过Rh催化直接芳基化反应,利用磷基团作为导向基团,高效合成了一系列具有平面手性结构的[2.2]帕 Cy络二芳基膦配体(PCP-BPhos),显著提升不对称催化反应的原子经济性,并成功应用于Pd催化的不对称烯烃烷基化和Suzuki-Miyaura偶联。

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李明杰|白静怡|曲红宇|郑文华|王敏燕|史壮志
中国南京大学化学与化学工程学院化学与生物医学创新中心(ChemBIC)协调化学国家重点实验室,南京210093

摘要

特权手性配体的出现标志着不对称催化领域的重大突破,这突显了开发高效合成方法以获得这些化合物的迫切需求。此类进展对于快速生成具有多种空间和电子特性的化学库至关重要。在这项研究中,我们提出了一种高效且简化的方法来构建广泛的平面手性[2.2]并环菲烷双芳基膦(PCP-BPhos)配体。我们的创新策略利用P(III)导向的C–H活化,即直接用对映体富集的PCP溴化物对三芳基膦进行芳基化。该方法的核心是底物中的膦基团,它作为导向基团,从而在催化循环中促进苯并融合的四元金属环的形成。这些原位修饰的手性配体在Pd催化的不对称烯丙基烷基化和Suzuki-Miyaura偶联反应中表现出卓越的性能,表明它们在不对称催化中具有广泛的应用潜力。我们全面的实验和计算研究提供了这些转化的详细机制见解,进一步阐明了这些催化过程的原理。

引言

手性三级膦因其磷原子与三个碳基取代基相连而成为当代有机化学中非常重要的配体[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]和有机催化剂[8]、[9]。这些化合物根据其立体元素进行分类:骨架手性(轴向或平面)或中心手性(P-或C-立体)。其中,Buchwald型双芳基结构基元已成为优选的骨架,围绕其开发了大量的配体(图1a)[10]。这类配体中的一个子类表现出轴向手性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16],这是由于其骨架中双芳基轴的旋转受限(例如,KenPhos [17]、[18]、MeO-Phos [19]、QUINAP [20]、StackPhos [21]和sSPhos [22])。另一类是中心手性配体[23],其立体性位于磷原子(例如,S-BIDIME [24])或碳中心(例如,Sagephos [25])。这些配体在不对称催化中展现了显著的多功能性,能够在多种反应平台上高效地生成手性分子[26]。因此,人们投入了大量努力进行它们的合成。例如,1,1'-联萘配体可以通过复杂的多步骤过程从对映体纯的双芳基前体(如1,1′-联-2,2′-萘酚(BINOL)合成。最近在催化方法上的进展还见证了膦氧化物及其类似物在不对称交叉偶联反应中的应用[27]、[28]、[29]。其他方法包括预先组装前手性分子,包括联萘基膦盐[30]和双芳基单膦[31],以实现不对称交叉偶联。尽管已有许多市售的手性三级膦和多种实用的不对称合成技术,但寻找新的骨架配体以及追求更高效和简化的合成范式仍然是该领域的重要且持续的研究焦点。
[2.2]并环菲烷(PCP)及其衍生物具有两个平行且相互作用强烈的苯环,属于D2点群[32]。取代的PCP表现出明显的平面手性,这使得它们在不对称催化、配体设计和材料科学中具有价值,因为它们独特的结构和电子特性(图1b)[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。例如,在PCP骨架上放置两个二苯基膦基团会形成一种平面手性的C2对称双膦,称为PhanePhos,它在催化系统中表现出卓越的性能[43]。鉴于双芳基和PCP骨架的互补优势,我们提出将这两种元素整合到一个连贯的分子结构中,将产生一类具有显著潜力的新配体。与报道中的双芳基配体中的手性中心不同,这些提议分子中的手性元素来源于PCP框架的平面手性。我们的研究旨在实现高效和快速的交叉偶联方法,以结合PCP和膦基团,从而构建具有多种空间和电子特性的多样配体库。
传统的交叉偶联反应是通过将芳基卤化物与各种芳基有机金属试剂偶联来合成双芳基化合物的最有价值的技术之一[44]。然而,这些有机金属试剂的预先制备可能很繁琐,并且经常限制反应的效率和范围。为了解决这些问题,基于C–H活化的直接芳基化策略应运而生,标志着双芳基组装的重大转变(图1c)[45]。控制反应位点选择性的最有效方法是使用导向基团,将金属催化剂定位在特定的C–H键上[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。在这里,我们通过铑催化的直接芳基化设计并合成了多种平面手性PCP-BPhos,实现了出色的原子经济性和氧化还原效率(图1d)。反应通过三芳基膦的C–H活化开始,随后与对映体富集的Br-PCPs偶联[51]、[52]、[53]。虽然氧和氮原子通常用作导向基团中的配位原子——其中C–H金属化在形成刚性5到7元金属环中间体时在热力学上更有利——但我们的方法独特地利用了三芳基膦中的膦基团作为导向基团[54]、[55]、[56]。这促进了催化循环中苯并融合的四元金属环的形成。值得注意的是,所得到的配体库在不对称催化中表现出出色的性能,突显了这种策略在现代有机化学中的合成实用性。

实验部分

有关化学品和试剂、合成程序及表征的详细信息,请参阅补充材料。

结果与讨论

为了优化我们的反应条件,我们首先使用对映体富集的PCP溴化物1a(99% ee)和膦2a作为模型底物进行研究,这两种试剂均可商业获得(表1)。最初,反应在[dioxane]中、120°C下、N2气氛下进行,使用等摩尔的1a2a以及[Rh(cod)Cl]2(2.5 mol%)和K2CO3(2.0当量)反应24小时。然而,这种设置仅产生了微量的目标产物P1(条目1)。当

结论

我们提出了一种通过铑催化的直接芳基化合成PCP-BPhos家族的新方法。在整个过程中,底物中的内在膦基团作为导向基团,促进了催化循环中苯并融合的四元金属环的形成。这种开发的方法在C–H活化方面取得了显著进展,特别是在手性配体合成中的应用,确保了出色的原子经济性,

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划(2022YFA1503200)、国家自然科学基金(项目编号92361201、22025104和22171134)、江苏省自然科学基金(项目编号BK20240059、BK20220033)以及中央高校基本科研业务费(项目编号020514380326)的支持。我们还要感谢南京大学高性能计算中心在本文中进行的数值计算。

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