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【有机】北理工杨小会与合作者Chem. Sci.:光诱导烯烃氢硒化——阐明β-硒效应

X-MOL资讯  · 公众号  ·  · 2024-11-27 08:09

正文


有机硒化合物是一类重要的功能分子,在自然界和合成等领域发挥着重要作用(图1A)。此外,由于它们具有酶调节剂、抗癌或细胞生长抑制剂等的活性,因而是生物学和药物化学的关键组成部分。例如,含硒代半胱氨酸的蛋白质(硒蛋白)与各种必需的抗氧化、氧化还原和代谢过程有关,对生命体的生存至关重要。乙烷硒啉(Ethaselen)是一种TrxR 1(硫氧还蛋白还原酶1)抑制剂,目前Ethaselen已完成I期临床试验。此外,有机硒化物也是有效的配体和催化剂,还经常用作烷基自由基前体。例如,赵晓丹课题组开发了一系列芳基硒化物有机催化剂,已应用于多种类型的亲电加成反应中。硒的独特性质引起了人们对有机硒化物制备方法的兴趣,其中氢硒化反应是一种具有原子经济性简洁高效的策略。

图1. (A) 硒在自然界和合成领域中的应用;(B) 铑催化和光诱导烯烃的区域发散性氢硒化反应。图片来源: Chem. Sci.

2022年, 杨小会课题组与Vy M. Dong课题组在 Journal of the American Chemical Society 上合作报道了铑催化烯烃的不对称马氏氢硒化反应( J. Am. Chem. Soc. 2022 , 144 , 40, 18246–18250, 点击阅读详细 ) (图1B)。在后续研究中,作者旨在开发一种互补的自由基介导的烯烃氢硒化反应来形成反马氏加成产物。因此,为了拓宽有机硒化物的合成边界,并探究所提出的β-硒化物碳自由基及其选择性。 北京理工大学 前沿交叉科学研究院&化学与化工学院 杨小会 课题组与美国 加州大学欧文分校 化学系 Vy M. Dong 课题组、 Filipp Furche 课题组及国际知名制药公司 葛兰素史克 (GSK)合作,提出一种新型的 光诱导烯烃反马氏氢硒化反应,首先光诱导产生的硒自由基加成到烯烃的末端位置以生成更稳定的内部自由基,然后进行氢原子转移(HAT)得到反马氏硒化物 (图1B)。

图2. 光诱导反马氏氢硒化反应底物普适性考察。图片来源: Chem. Sci.

在优化的反应条件下,作者研究了28种不同烯烃与苯硒酚( 2a )的光促进氢硒化反应,以生成相应的线性硒化物(图2)。由于烯烃危险性较低且更容易获得,因此作者选择比硒酚更广泛的烯烃来探索底物范围。实验结果表明单取代烯烃、1,1-二取代烯烃、1,2-二取代烯烃及共轭二烯具有较高的反应活性和区域选择性,该反应具有广泛的官能团耐受性,包括卤化物、酸和杂环等。 更重要的是,该反应也适用于未活化的脂肪烯烃(4av),而不像之前报道的氢硒化反应需要活化的烯烃。 作者应用该反应制备了一种偏头痛药物eletriptan的硒类似物,其中 4aad 中的SePh基团被-S O 2 Ph基团取代。该反应生成Se类似物 4aad ,产率为31%。几种不同的硒酚底物都能得到高区域选择性的反马氏产物。给电子芳基硒酚比吸电子芳基硒酚表现出更高的反应活性。体积更大、芳香性更低的萘硒酚反应活性更低。作者推测,形成 4ba、4ca 4da 的产率较低是由于溶液的非均相特性,这是由于二苯基膦酸和由此产生的二苯基膦基硒化物副产物在二氯乙烷中沉淀,导致光吸收率低。总体而言,这种光促进的硒醇-烯烃反应在温和条件下发生,形成具有出色区域控制的线性有机硒化物。

表1. 总结所研究三种可能的反应机制及其与实验和计算结果的一致或不一致性。图片来源: Chem. Sci.

从烯烃生成碳自由基是一种非常有效的氢官能团化方法。该策略通常通过以下三种方式实现:(1) 金属氢化物氢原子转移(MHAT);(2) 从烯烃生成碳自由基阳离子;(3) 将杂原子自由基加成到烯烃上。该文报道了一种新型的氢硒化反应,该反应属于第三种方法,其中硒化物自由基加成到烯烃上。使用蓝光LED,能够获得一系列新型硒化物。该反应可以兼容多种类型的底物,包括未活化的脂肪烯烃和类似药物的分子。为了研究β-硒自由基的反式选择性起源,作者详细研究了几种可能的反应机制(表1): M1 ,非对映选择性氢原子转移(HAT); M2 ,硒鎓过程; M3 ,环硒乙烷自由基过程。此外。作者还研究了另外两种涉及德克斯特能量转移(DET)过程或苯乙烯自由基阳离子形成的反应机制,但这些机制倾向于顺式加成,因此被排除。通过一系列实验研究及理论计算,作者确定了一种涉及碳自由基的机制( M1 )是最可能的途径(图3),并且详细介绍了支持或反驳 M1 M2 M3 的实验和计算结果。

图3. 非对映选择性形成的有利反应机制。图片来源: Chem. Sci.

根据观察到的非对映选择性和计算研究,作者提出了一种新型的β-硒效应,其中β-硒碳自由基通过HAT过渡态单占据轨道(SOMOs)的离域化作用赋予自由基加成的高反式选择性。在以前的研究中,立体效应被认为会影响对β-碳自由基加成的选择性;然而,通过计算研究,作者阐明在选择性中发挥重要作用的其他电子因素。这种相对较强的立体电子效应似乎是由于C–Se σ*轨道的能量可及性比第二行元素的其他C–X σ键高得多。为了验证β-硒效应能否延伸到其他自由基加成反应,作者还研究了是否可以用 H 2 O 2 捕获碳自由基,研究发现得到唯一的反式加成产物(Scheme 1)。作者希望这种独特的β-硒效应未来可以应用于其他立体选择性合成反应,并希望这项研究的见解将有助于启迪未来硒化物的氢硒化和官能团化方面的研究。

Scheme 1. 用H 2 O 2 作为自由基捕获剂。图片来源: Chem. Sci.

上述研究工作在 Chemical Science 上在线发表。 Vy M. Dong 教授和 Filipp Furche 教授为通讯作者, 杨小会 教授为末位通讯作者,北京理工大学为第一通讯单位。该项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划青年科学家项目、国家高层次人才引进计划青年项目、北京市自然科学基金、南开大学元素有机化学国家重点实验室开放基金和北京理工大学特立青年学者人才支持计划等项目的资助。

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):
Hydroselenation of olefins: elucidating the β-selenium effect
Gabriel S. Phun, Hannah S. Slocumb, Kirsten J. Ruud, Shaozhen Nie, Cheyenne Antonio, Filipp Furche,* Vy M. Dong*, Xiao-Hui Yang*
Chem. Sci. , 2024 , DOI: 10.1039/D4SC05766J

杨小会课题组简介

杨小会,女,1987年11月生。北京理工大学长聘教授、博士生导师、独立课题组组长(PI),国家级青年人才项目获得者,北京理工大学特立青年学者、医药分子科学与制剂工程工信部重点实验室PI及前沿交叉科学研究院教授委员会委员(兼秘书)。2010年获江苏师范大学学士学位。2015年获南开大学博士学位,导师周其林院士。2016年2月至2020年9月在美国加州大学欧文分校从事博士后研究,合作导师Vy M. Dong教授。2020年12月加入北京理工大学开展独立科研工作,任准聘教授,2024年1月晋升为长聘教授。2021年9月课题组成立,主要研究兴趣为不对称催化、金属有机化学、洁净能源(光、电等)催化、物理有机与计算化学、医药中间体和手性药物等功能分子合成。现兼任《 Organic Chemistry Frontiers 》、《 Science of Synthesis 》及《有机化学( Chinese Journal of Organic Chemistry )》青年编委。迄今在国际知名化学期刊上以通讯或第一作者发表SCI学术论文17篇,包括 J. Am. Chem. Soc. (7篇)、 Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)和 Chem. Sci. (3篇)等。应邀撰写《Comprehensive Organic Synthesis III》英文专著章节,参编工信部“十四五”规划教材《有机化学》。曾获荣誉奖励包括Thieme Chemistry Journals Award (2023)、北京理工大学优秀人才奖等。






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