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浙江工業大學藥學院金燦、顏志陽、孫彬等人發展了一種可見光誘導NHP酯(N-烷酰氧基鄰苯二甲酰亞胺)與香豆素脫羧偶聯反應,可以實現香豆素類化合物的選擇性C-3烷基化反應。
香豆素及其衍生物是一類重要的天然化合物,存在于各種植物及微生物中。香豆素結構具有良好的藥物活性,如抗菌、抗炎、抗癌、抗HIV等,是一類重要的藥物結構母核,其衍生物被廣泛應用于藥物化學領域。另外,香豆素衍生物由于其獨特的光學特性,也被用作有機光敏材料。
香豆素衍生物的合成最早是通過縮合反應實現的(如Perkin縮合、Pechmarm縮合和Knoevenagel縮合),但是該方法存在許多弊端。近年來,隨著C-H鍵官能化理論的不斷發展,文獻相繼報道了一系列通過香豆素sp2C-H官能化合成取代香豆素的方法。該方法原子利用率高、原料易獲得、反應條件溫和,是一類高效的香豆素衍生物合成方法。目前已報道的香豆素烷基化方法只能實現香豆素C-3的芳基化、烯基化、酰基化和環烷基化,缺少可以系統地合成一系列3-直鏈烷基香豆素的方法。
浙江工業大學藥學院(協同創新中心)金燦、顏志陽、孫彬等設計了一種可見光誘導NHP酯(N-烷酰氧基鄰苯二甲酰亞胺)與香豆素脫羧偶聯反應,實現3位長鏈伯烷基取代的香豆素衍生物的合成。NHP酯是一種高效的脫羧烷基化試劑,合成方法簡單,性質穩定,被廣泛應用于有機合成中。近年來,研究者發現NHP酯在可見光催化下通過脫羧可生成多種烷基自由基,并參與自由基加成及偶聯等反應。
以香豆素1a和NHP酯2a作為模板反應底物,在可見光照射下,以控制變量法分別對反應的催化劑、溶劑、添加劑、光源進行篩選。實驗結果表明,以fac-Ir(ppy)3 (0.02 eq)作為催化劑,TFA (0.5 eq)作為添加劑,DMSO(1.0 mL)作為溶劑,用N2保護后在白光照射下反應24h可得到最高的模板反應收率(81%) (Table 1)。
在得到最佳的反應條件之后,進一步對反應底物的適用范圍作了研究。通過對香豆素苯環上取代基的研究發現,無論是供電子或吸電子基團取代,脫羧偶聯反應均能良好地進行,并以中等至優異的收率給出目標產物。從實驗結果可得,供電子基取代的底物活性要明顯高于吸電子基取代底物,例如:當苯環上取代基為Me-,MeO-及(Me)2N-時,能夠以75%-90%的收率得到目標產物;若取代基為F-, Cl-, Br-等吸電子基時,產物收率明顯下降,且伴隨吸電子取代基數量的增加,收率下降越明顯。此外,實驗結果表明苯環上取代基位置不同并不影響反應效率,6,7,8取代的香豆素底物均適用于該反應。
隨后,研究人員又通過香豆素1a與不同NHP酯底物的脫羧烷基化反應,考察了NHP酯的底物適用范圍。實驗結果顯示,除了叔碳外,該反應體系還適用于包括伯碳或仲碳在內的各種N-烷酰氧基鄰苯二甲酰亞胺,且都獲得了良好的反應收率 (Scheme 2)。例如,當伯碳烷基為短鏈的甲基、丙基或長鏈的正辛基時,均能以令人滿意的收率得到目標產物。進一步研究發現,當伯烷基中有雙鍵、鹵素(溴)、苯環、酯基等額外官能團時,反應也表現出了良好底物的適用性。隨后,考察了一系列仲碳烷基取代的NHP酯底物反應活性,實驗結果表明不僅鏈狀烷基或環烷基均能夠與香豆素發生脫羧偶聯反應,以中等至優異的收率得到目標產物,而且當烷基中含有N或O等雜原子時,反應也能良好地進行。
首先,研究者在反應體系中加入自由基捕獲劑TEMPO(3.0 eq),反應24h后,TLC監測顯示并沒有目標產物生成(Scheme 3, 1);當向反應體系中加入另一種自由基捕獲劑BHT(3.0 eq)時,得到了類似的反應結果(Scheme 3, 2)。結合NHP酯的相關文獻,研究者推測該反應機理可能涉及自由基機歷程。為了捕獲反應體系中自由基,研究人員選用1, 1-二苯基乙烯(3.0 eq)作為自由基捕獲劑,最終成功得到了二苯乙烯與烷基自由基的偶聯產物(Scheme 3, 3)。此外,Stern-Volmer實驗結果也證實了激發態的Ir*可以被NHP酯氧化淬滅。
根據上述機理研究實驗結果,研究團隊提出了如下圖所示的可能機理:光敏劑fac-Ir(ppy)3受光激發形成具有強還原性的激發態fac-Ir*(ppy)3,隨后fac-Ir*(ppy)3被質子化的NHP酯2a’氧化成IrIV,同時2a’被還原后脫羧生成叔丁基自由基及鄰苯二甲酰亞胺,并同時釋放出一分子的二氧化碳。叔丁基自由基進攻底物香豆素3位并形成自由基中間體B,B進一步被IrIV氧化成碳正離子C,并脫質子形成目標產物3aa,而相應的IrIV則被還原成基態fac-Ir(ppy)3,實現光敏劑的催化循環。
金燦等研究者首次系統地報道了3-直鏈伯烷基取代香豆素的合成方法,填補了香豆素C-3直鏈烷基化方法的空缺。反應以光能代替熱能作為化學反應能量來源,條件溫和(室溫反應),安全性高;反應以廉價易得的香豆素作為原料,且反應過程中無需添加任何氧化劑、反應選擇性好、收率較高。