凝膠色譜法分離蛋白質分子量（上海交大張書宇課題組）

2023-09-09 16:39:52

上海交通大學張書宇團隊開發了手性磷酸催化N-芳基-2-萘胺與偶氮二羧酸酯的分子間不對稱C-H胺化反應，能以良好至優秀的收率和對映選擇性得到一系列非二芳基N-C軸手性化合物，其中該報導使用了π-π相互作用和雙重氫鍵協同控制策略。同時，通過簡單的衍生反應，該非二芳基N-C軸手性化合物可轉化為含新的手性中心的化合物。該成果發表在Nat. Commun.上（DOI: 10.1038/s41467-019-10858-x）。

軸手性化合物廣泛存在於手性催化劑及配體中，其化學合成備受關注。BINAP和BINOL等二芳基軸手性化合物的合成已經取得了不錯的進展，但關於合成同樣重要的非二芳基N-C軸手性化合物（Fig. 1a）的報導卻很少。到目前為止，合成非二芳基N-C軸手性化合物的方法主要包括手性拆分和對非手性N-C鍵化合物進行不對稱環化反應、N-官能團化反應和去對稱化反應等，而通過構建新的N-C鍵合成手性非二芳基N-C軸手性化合物仍然面臨巨大的挑戰。

在過去的三年中，上海交通大學張書宇特別研究員課題組一直致力於開發有效的C-H胺化反應，其中，偶氮二甲酸酯表現尤為突出。通過調查研究，作者發現過渡金屬或Brønsted酸可催化2-萘胺衍生物與偶氮二羧酸酯反應在C1位形成N-C鍵。於是，作者猜想可以通過這種直接C-H胺化反應合成具有挑戰性的非二芳基N-C軸手性化合物。

（圖片來源：Nat. Commun.）

手性磷酸可同時活化含弱酸性氫原子的2-萘胺和偶氮二羧酸酯生成雙重氫鍵中間體A，從而構建手性N-C軸（Fig. 2a）。因此，作者使用N-取代2-萘胺1和偶氮二甲酸二叔丁酯（DBAD）2a作為模板底物，並對反應進行了篩選（Table 1）。作者發現N-Me,Ph二取代的2-萘胺1a不能得到相應產物，而具有N-H鍵的偶氮二羧酸酯1b和1c則能順利得到相應的胺化產物。這些結果表明N-H鍵對該反應起著至關重要的作用。但即使使用位阻較大的Ph-或Ph3Si-取代的手性磷酸，該反應的對映選擇性均較低。理論上，通過增大2-萘胺C8位取代基的空間位阻是可以提高產物的對映選擇性得，但這會極大地限制該反應的底物範圍。

為了克服這些缺點和局限，作者通過引入π-π相互作用協同控制該C-H胺化反應的立體選擇性（Fig. 2b）。CPA3催化N-苯基-2-萘胺1d與2a反應，其對映選擇性有了明顯的提高。若將N-苯基換成空間位阻更大的N-苄基和N-叔丁基，其產物的對映選擇性均較低。這些結果表明π-π相互作用和雙重氫鍵協同控制策略對於該胺化反應的立體選擇性控制起著至關重要的作用。

（圖片來源：Nat. Commun.）

確定N-苯基-2-萘胺1d和DBAD 2a為模板底物後，作者通過對催化劑、溶劑、溫度等反應條件進行篩選，確定最優的反應條件（Table 2）：10 mol％ CPA6為催化劑，DCM:Et2O = 7:3為溶劑，在-70 ℃條件下反應48 h，能以93%的收率和91%的對映選擇性得到相應產物。

（圖片來源：Nat. Commun.）

在最優反應條件下，作者對偶氮二羧酸酯的底物範圍進行了考察（Table 3）。商業可得的偶氮二羧酸二乙酯、偶氮二羧酸二異丙基酯和偶氮二羧酸二苄酯均能較好的適應反應條件，能以優秀的收率得到相應產物，但其對映選擇性均較低。將偶氮二羧酸酯的R3取代基換成對甲基和對甲氧基，該反應具有良好的耐受性，能以優秀的收率和對映選擇性得到相應產物。而將R3取代基換成間甲基和鄰甲基，該反應的收率和對映選擇性明顯降低。緊接著，作者考察了N-苯基-2-萘胺的底物範圍。各種烷基、芳基、滷素、乙烯基和炔基等官能團取代的N-苯基-2-萘胺均能較好的適應反應條件，能以良好的收率和優秀的對映選擇性得到相應產物。其中，C3位為甲基取代的N-苯基-2-萘胺的收率明顯降低，但其對映選擇性變化不大。而C5位、C6位和C7位甲基取代的N-苯基-2-萘胺則能以優秀的收率和良好至優秀的對映選擇性得到相應產物。8-氨基-N-苯基-2-萘胺的反應產物較為複雜，不能分離出目標產物。若將N-Ph換成N-Bz，該反應也能以77％的收率和94％的對映選擇性得到相應產物。其中，5g的絕對構型通過單晶確定。此外，各種萘環取代的N-苯基-2-萘胺均具有良好的耐受性，能以優秀的對映選擇性得到相應產物。但吸電子萘環取代的N-苯基-2-萘胺的收率比給電子萘環取代的N-苯基-2-萘胺的收率低。

（圖片來源：Nat. Commun.）

根據實驗結果以及前人的報導，作者推測可能的機理（Fig. 3）：首先，CPA通過雙重氫鍵活化模式同時活化N-苯基-2-萘胺和偶氮二羧酸酯生成中間體I。然後，在π-π相互作用下，N-苯基-2-萘胺與偶氮二羧酸酯發生親核加成反應生成中間體II。II重新芳構化生成胺化產物3a。

（圖片來源：Nat. Commun.）

為了測定N-C軸手性產物的立體穩定性，作者將產物置於25 ℃的正己烷中，測定其外消旋化的半衰期。苯環上取代的產物4b的半衰期為67.4 h，萘環上取代的產物5a-c，5h-i，5l-m的半衰期在20.6-103.3 h之間。取代基與C3位相鄰的產物5d的半衰期為11.4 h，而取代基在C8位的產物則非常穩定，其半衰期為5325.2 h。將固體狀態下的產物3a（90.10％ ee）置於-18 ℃條件下，90 h後，該產物的ee為90.04％。這些結果說明該N-C軸手性產物具有良好的穩定性。

接下來，作者考察了偶氮二羧酸酯取代基空間位阻、分子內氫鍵以及萘胺取代基對N-C軸手性化合物的立體穩定性的影響（Fig. 4）。為了確認產物的低對映選擇性是因為反應過程中易發生外消旋化還是立體選擇性較難控制，作者做了三個平行實驗：在標準條件下，作者分別在反應12小時、24小時和48小時後測定3d的對映選擇性，發現測定結果相差不大。這說明N-C軸手性化合物在標準條件下很穩定，不會發生外消旋化。其次，作者比較了70.9 h後3a的對映選擇性（92％ee）和25.0 h後3d的對映選擇性（67％ee），該結果表明偶氮二羧酸酯的取代基的空間位阻越大，其產物的穩定性越高。其次，作者還測定了易形成分子內氫鍵的化合物5q（手性拆分獲得）的半衰期為514.8 h，這說明分子內氫鍵可以顯著提高N-C軸手性化合物的立體穩定性。

（圖片來源：Nat. Commun.）

為了證明該反應的應用潛力，作者進行了克級規模反應（Fig. 5），也能以87％的收率和90％的對映選擇性得到相應產物。緊接著，作者證明了該策略在複雜分子的後期修飾中的可行性。標準條件下，雌酮衍生物6具有良好的耐受性，能以優秀的收率、對映選擇性以及非對映選擇性得到產物7。此外，磷酸二苯酯可催化N-C軸手性胺化產物3a與(E)-1,3-二苯基丙-2-烯-1-醇在-30 ℃條件下的DCE溶劑中反應24 h，能以72％的收率得到相應產物。該產物在HCl/MeOH中脫掉Boc基團後可實現C1-到C8位遠程手性轉換。