固有手性大环化合物的催化不对称合成及其圆偏振发光性能

最近,清华大学化学系的佟硕副教授与王梅祥教授合作,运用手性配体诱导产生固有手性,首次实现了ABCD型固有手性大环分子的高产率、高对映选择性的催化不对称合成,并展示了固有手性分子圆偏振发光及独特的开关效应(J. Am. Chem. Soc. 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05369,图一)。

图一、课题整体思路示意


首先,他们设计并高效合成了一系列氮原子连接的含有不同氮原子数目的芳(杂)环如苯环、吡啶、嘧啶和三嗪的ABCD型线性四聚体分子,并通过分子内钯催化的Buchwald-Hartwig C-N键偶联反应,制备了固有手性分子的外消旋体。进而,他们探究了手性配体存在条件下的反应,发现仅运用在小分子反应中很常见的Pd(OAc)2/(R,Sp)-JOSIPHOS催化体系,链状分子5就能够顺利的发生分子内交叉偶联反应,即手性催化剂能诱导氧化加成和转金属化步骤,生成含固有手性的大环中间体,再经还原消除形成C-N键,以>99%的ee值生成ABCD型固有手性大环分子。该方法底物适用性广,可方便的在ABCD任意环上改换不同的官能团,汇聚式地实现了结构丰富多样的固有手性大环分子的快速高效构建(图二)。


图二、ABCD型固有手性大环的催化不对称合成


该类结构独特的ABCD型固有手性大环化合物还表现出了颇具潜力的手性光学性能。其圆偏振发光(CPL)的不对称因子|glum|为2×10-3。更为有趣的是,圆二色谱(CD)和CPL信号能随着pH值的变化产生明显的开关效应(图三)。当向体系中加入酸时,固有手性大环分子CD和CPL信号均发生了反转,继续向体系中加入碱,其CD和CPL信号又会恢复原始的状态。作者认为,这可能是由于ABCD型固有手性大环独特的结构所致:在苯环、吡啶、嘧啶和三嗪这四类(芳)杂环中,吡啶的碱性最强,酸的加入会使吡啶环首先发生质子化,从而导致质子化前后固有手性大环分子ABCD四个环的极性顺序发生改变。质子化前,三嗪环为最缺电子的环,酸的加入使吡啶被质子化,也从而取代了三嗪环的位置,成为了分子中最为缺电子的环,这可能会导致分子电磁偶极矩发生改变,从而对其CD和CPL性质产生显著影响。

图三、pH响应的固有手性大环的手性光学性质


总之,研究发展了一种钯催化的高对映选择性的合成ABCD型固有手性大环化合物的新方法,实现了新型固有手性大环分子单一镜像异构体的高效制备。所合成的固有手性大环分子具有独特的、受pH响应的圆偏振发光性能。研究为固有手性分子的催化不对称合成和开拓其在化学、医药和高技术材料的应用提供了新的思路。

相关工作发表在J. Am. Chem. Soc.(Shuo Tong,* Jiang-Tao Li, Dong-Dong Liang, Yan-E Zhang, Qi-Yun Feng, Xin Zhang, Jieping Zhu, Mei-Xiang Wang,* J. Am. Chem. Soc. 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05369)上,文章第一作者是清华大学化学系副教授佟硕。本项目得到国家自然科学基金会和清华大学双E计划的资助。