铑和手性螺环磷酸协同催化<i>α</i>-芳基重氮酮对醇的O

引用本文: 李茂霖, 陈梦青, 徐彬, 朱守非, 周其林. 铑和手性螺环磷酸协同催化α-芳基重氮酮对醇的O—H键的不对称插入反应[J]. 化学学报, 2018, 76(11): 883-889. doi: 10.6023/A18060234 shu

Citation: Li Maolin, Chen Mengqing, Xu Bin, Zhu Shoufei, Zhou Qilin. Enantioselective O-H Bond Insertion of α-Diazoketones with Alcohols Cooperatively Catalyzed by Achiral Dirhodium Complexes and Chiral Spiro Phosphoric Acids[J]. Acta Chimica Sinica, 2018, 76(11): 883-889. doi: 10.6023/A18060234 shu

铑和手性螺环磷酸协同催化α-芳基重氮酮对醇的O—H键的不对称插入反应

李茂霖 ^a,†, ,
陈梦青 ^a,†, ,
徐彬 ^a, ,
朱守非 ^{a,
,} ,
周其林 ^{a,b,
,}

a.
南开大学化学学院元素有机化学研究所天津 300071
b.
天津化学化工协同创新中心天津 300072

通讯作者: 朱守非, E-mail: sfzhu@nankai.edu.cn; 周其林, E-mail:qlzhou@nankai.edu.cn

基金项目:

项目受国家自然科学基金（Nos.21625204，21532003，21421062）、教育部“111”创新引智计划（No.B06005）、国家万人计划和中央高校基本科研业务费资助

摘要: 过渡金属催化卡宾对O-H键的不对称插入反应是合成手性醇及其衍生物的直接方法.近年来，人们发展了多种手性催化剂实现了重氮酯衍生的金属卡宾对醇、酚、羧酸甚至水的O-H键的高对映选择性插入反应，但是重氮酮作为卡宾前体的不对称O-H键插入反应鲜有成功的例子.以非手性双铑络合物和手性螺环磷酸组成的协同催化体系，首次实现了α-重氮酮对醇的O-H键的不对称插入反应，获得了较高的收率和高达95%ee的对映选择性.反应为手性α-烷氧基酮这类重要手性化合物提供了高效的合成方法.还通过密度泛函理论计算，对反应机理进行了初步研究，发现水很可能参与了手性磷酸促进的烯醇中间体质子转移过程.

关键词:

English

Enantioselective O-H Bond Insertion of α-Diazoketones with Alcohols Cooperatively Catalyzed by Achiral Dirhodium Complexes and Chiral Spiro Phosphoric Acids

a.
State Key Laboratory and Institute of Elemento-Organic Chemistry, College of Chemistry, Nankai University, Tianjin 300071
b.
Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072

Corresponding author: Zhu Shoufei, sfzhu@nankai.edu.cn; Zhou Qilin, qlzhou@nankai.edu.cn

Received Date: 15 June 2018
Available Online: 15 November 2018
Fund Project:

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 21625204, 21532003, 21421062), the "111" Project of the Ministry of Education of China (No. B06005), the National Program for Special Support of Eminent Professionals and the Fundamental Research Funds for the Central Universities
^† These authors contributed equally to this work.
Supporting information for this article is available free of charge via the Internet at http://sioc-journal.cn.

Abstract: Transition-metal-catalyzed asymmetric insertion of carbene into O-H bonds is a straightforward method for the synthesis of chiral alcohols and their derivatives. In recent years, a variety of chiral catalysts have been developed to achieve high enantioselective insertions of metal carbenes derived from α-diazoesters into O-H bonds of alcohols, phenols, carboxylic acids, and even water. However, there are few successful examples of the asymmetric O-H bond insertion using α-diazoketones as carbene precursors. In this paper, we report the first asymmetric O-H insertion of α-diazoketones with alcohols co-catalyzed by achiral dirhodium complexes and chiral spiro phosphoric acids. The reaction has high yields and high enantioselectivity (up to 95% ee). The present O-H bond insertion reaction provides an efficient method for the synthesis of very useful chiral α-alkoxy ketones, which are easily transformed to corresponding 1, 2-diol derivatives with excellent diastereoselectivity. The density functional theory (DFT) calculation was performed to study the mechanism of the reaction. It is found that the chiral spiro phosphoric acid can promote the proton transfer process of enol intermediates generated from rhodium carbene and alcohol like chiral proton-transfer shuttle and realize enantioselectivity control accordingly. Water are likely to participate in this proton transfer step and has a remarkable effect on the enantiocontrol of the reaction. A typical procedure for the enantioselective O-H bond insertion of α-diazoketones is as follows. Powered Rh₂(TPA)₄ (2.9 mg, 0.002 mmol, 1 mol%) and chiral spiro phosphoric acid (R)-1k (3.3 mg, 0.004 mmol, 2 mol%) were introduced into an oven-dried Schlenk tube in an argon-filled glovebox. After CHCl₃ (2 mL) was injected into the Schlenk tube, the solution was stirred at 25℃ under the argon atmosphere. A solution of benzyl alcohol (21.6 mg, 0.2 mmol) and 1-diazo-1-phenylpropan-2-one (2a, 33.8 mg, 0.21 mmol) in 1 mL of CHCl₃ were then introduced into the Schlenk tube containing catalysts. The resulting mixture was stirred at 25℃ until the diazo compound 2a disappeared. After concentration in vacuo, the residue was purified by flash chromatography on silica gel (petroleum ether/ethyl acetate, V:V=15:1) to give (-)-1-(benzyloxy)-1-phenyl-propan-2-one (4a, 43.2 mg, 0.18 mmol, 90% yield) as a colorless oil.

Key words:

1. 引言

手性醇、醚、酯以及含氧杂环化合物通常表现出一定的生物活性, 同时还是重要的合成砌块, 因而对于这些化合物的合成一直是有机化学领域的重要研究内容^[1].过渡金属催化卡宾对O—H键的不对称插入反应能够方便地构筑碳-氧键, 通常具有反应活性高、选择性可控、条件温和等特点, 在有机合成中具有很多应用^{[2, 3]}. 2006年和2007年, Fu课题组^[3a]和我们课题组^[3b]分别报道了铜催化卡宾对醇的O—H键和酚的O—H键的高对映选择性插入反应.此后, 包括我们课题组在内的多个课题组陆续发展了铜^{[3c, 3d, 3g, 3f]}、铁^[3e]、钯^[3h]、金^[3k]等金属的手性络合物催化剂以及非手性双铑络合物与手性磷酸或手性胍的协同催化体系^{[3i, 3j]}, 实现了α-重氮酯对醇、酚、羧酸甚至水的O—H键的高对映选择性插入反应.

通常认为, 卡宾对O—H键的插入反应经历了一个分步过程.首先氧上的孤对电子进攻亲电的Fischer卡宾, 生成含金属的叶立德中间体, 然后发生质子转移过程, 完成反应.虽然α-重氮酮和α-重氮酯一样是一类常用的卡宾前体^[4], 但是由于酮羰基比酯基具有更强的吸电子性, 使得金属催化剂更容易从中间体上解离, 生成自由的叶立德^[2c], 因此随后的质子转移过程就不能被手性催化剂所控制, 难以获得高对映选择性(Scheme 1).正是由于这个原因, 虽然有很多过渡金属催化重氮酮对O—H键的非对映选择性插入反应的报道^[5], 但是目前仅有刘小华等^[3i]使用醋酸铑和手性胍组成的协同催化体系, 实现了α-芳基重氮酮对芳基甲酸O—H键的不对称插入反应.上述催化体系对于个别α-重氮烷基酮可以给出高达95% ee的对映选择性, 但是对于α-重氮芳基酮底物只得到中等程度的对映选择性(63% ee).因此发展新的手性催化剂, 实现更多α-重氮酮对不同类型O—H键的高对映选择性插入反应仍然十分必要.

图式 1

图式 1. 过渡金属催化α-重氮酮衍生的卡宾对O—H键的插入反应机理

Scheme 1. Proposed mechanism of transition-metal-catalyzed O—H bond insertion of α-diazoketones

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我们课题组^[6]首次将手性Brønsted酸作为质子梭催化剂用于金属催化卡宾对杂原子—氢键或者C—H键的插入反应中, 通过对反应活性中间体叶立德、烯醇盐或者烯醇的质子转移过程的直接催化, 实现了反应的手性控制.该协同催化体系不要求金属催化剂和活性中间体紧密结合即可实现对映选择性的有效控制, 因此在易于形成自由叶立德或者烯醇的插入反应中表现出独特的优势.在上述研究的基础上, 本工作以非手性双铑络合物和手性螺环磷酸作为共催化剂, 首次实现了α-重氮酮对醇的O—H键的不对称插入反应, 获得了较高收率和高达95% ee的对映选择性^[7].该催化体系对于α-重氮烷基酮和α-重氮芳基酮衍生的卡宾都能给出很高的对映选择性.这一反应为手性α-烷氧基酮化合物提供了高效的合成方法.机理研究表明, 手性螺环磷酸和水形成的氢键网络能够有效催化烯醇中间体的质子转移过程, 进而实现反应的手性控制.

2. 结果与讨论

2.1 反应条件的建立及优化

我们选取α-苯基-α-重氮丙酮(2a)和苄醇作为反应底物, 用1 mol% Rh₂(TPA)₄和2 mol% SPA 1a作为催化剂, 以氯仿为溶剂, 设定反应温度为25 ℃, 对反应进行了初步尝试(表 1, Entry 1).反应能够在5 min内完成, 以较高的收率(76%)得到O—H键插入反应产物3a, 但对映选择性只有62% ee.为了获得更好的反应结果, 我们对反应条件进行了系统优化.

表 1

表 1 反应条件优化^a

Table 1. Optimization of reaction conditions

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Entry	[M]	SPA	Yield^b/%	ee^c/%
1	Rh₂(TPA)₄	(R)-1a	76	62
2	Rh₂(TPA)₄	(R)-1b	86	76
3	Rh₂(TPA)₄	(R)-1c	56	17
4	Rh₂(TPA)₄	(R)-1d	43	0
5	Rh₂(TPA)₄	(R)-1e	89	81
6	Rh₂(TPA)₄	(R)-1f	81	10
7	Rh₂(TPA)₄	(R)-1g	76	70
8	Rh₂(TPA)₄	(R)-1h	70	89
9	Rh₂(TPA)₄	(R)-1i	83	90
10	Rh₂(TPA)₄	(S)-1j	81	－91
11	Rh₂(TPA)₄	(R)-1k	90	94
12	Rh₂(piv)₄	(R)-1k	70	92
13	Rh₂(TFA)₄	(R)-1k	63	94
14	Rh₂(cap)₄	(R)-1k	70	62
15	Rh₂(OAc)₄	(R)-1k	56	18
16^d	Rh₂(TPA)₄	(R)-1k	81	90
17^e	Rh₂(TPA)₄	(R)-1k	78	68
^a Reaction conditions: 0.002 mmol of [Rh], 0.004 mmol of SPA, 0.21 mmol of 2a, 0.2 mmol BnOH, in 3 mL of CHCl₃ at 25 ℃. All the reactions accomplished in 5 min. ^b Yield of isolated product. ^c Determined by HPLC. ^d Use 0.1 mol% Rh₂(TPA)₄. ^e Use 0.1 mol% Rh₂(TPA)₄ and 0.2 mol% SPA.

磷酸6, 6'位的取代基R对反应有显著的影响(Entries 1~11).当使用R为联苯基取代的手性螺环磷酸1b时, 反应给出86%收率和76% ee (Entry 2).而使用R为3, 5-二甲基苯基的手性磷酸1c和3, 5-二叔丁基苯基的手性磷酸1d时, 反应的收率和对映选择性都大幅降低(Entries 3, 4), 其中, 使用手性磷酸1d时, 得到的是外消旋产物(Entry 4).当使用R基团为大位阻的2, 4, 6-三甲基苯基的手性磷酸1e时, 反应能以89%的收率和81% ee的对映选择性得到插入产物(Entry 5).使用更大位阻的2, 4, 6-三异丙基苯基的手性磷酸1f时, 虽然仍能以81%的收率得到O—H键插入产物, 但反应的对映选择性仅有10% ee (Entry 6).将手性磷酸R取代基换为平面结构的2-奈基苯基(1g)、9-菲基苯基(1h)、9-蒽基苯基(1i)或1-芘基苯基(1j)时, 反应都能顺利进行, 产物的对映选择性随着芳环数量的增加而增加(70%~91% ee) (Entries 7~10).根据上述规律, 我们又设计合成了R为9-蒽基-10苯基取代的手性螺环磷酸1k, 发现该催化剂能以90%的收率和94% ee的对映选择性得到O—H键插入产物(Entry 11).

随后, 我们采用手性螺环磷酸1k作为手性质子梭催化剂, 对不同的双铑催化剂进行考察.当使用Rh₂(piv)₄, Rh₂(TFA)₄作为催化剂时, 反应均可得到较高的收率和对映选择性(＞92% ee) (Entries 12, 13).然而, 当使用Rh₂(cap)₄和Rh₂(OAc)₄作为催化剂时, 只能得到62% ee和18% ee的对映选择性(Entries 14, 15).保持手性螺环磷酸的用量(2 mol%)不变, 把Rh₂(TPA)₄用量降到0.1 mol%, 反应也能以81%的收率和90% ee的对映选择性得到插入产物(Entry 16).然而, 同时降低Rh₂(TPA)₄用量到0.1 mol%和手性螺环磷酸催化剂1k的用量到0.2 mol%时, 反应的收率变化不大(78%), 但是对映选择性却大幅降低到68% ee (Entry 17).

综合考虑上述实验结果, 我们确定了反应最优条件: 1 mol% Rh₂(TPA)₄和2 mol%螺环磷酸(R)-1k为手性催化剂, 以氯仿为溶剂, 反应温度为25 ℃.

2.2 反应底物适用范围研究

在最优条件下, 我们考察了不同取代基的α-重氮酮2a~2p作为卡宾前体对苄醇O—H键的插入反应(表 2).当重氮底物苯环对位带有溴(2b)和甲基(2c)等取代基时, 虽然反应的收率有一定波动, 但对映选择性仍然可以稳定在90% ee (Entries 2, 3).对于苯环间位带有甲基、卤素、甲氧基等取代基的重氮底物2d~2g, 反应均能取得较高的收率和对映选择性(Entries 4~7).当苯环邻位带有卤素取代基(2h)时, 由于位阻的增大, 收率降为72%, 同时对映选择性也降低为88% ee (Entry 8). 2-萘基取代的底物2i同样能在5 min内完成反应, 以91%的收率和94% ee的对映选择性得到插入产物(Entry 9).保持R¹取代基为苯基不变, 重氮底物的R²基团由甲基变为乙基(2j)、正丁基(2k)以及位阻稍大的异丁基(2l)时, 虽然反应收率随位阻增大而降低, 但是反应的对映选择性都很高(最高可达95% ee) (Entries 10~12).当R²基团为苯乙基时, 能以76%的收率和93% ee的对映选择性得到目标产物3m (Entry 13).将R²基团换为丁烯基时, 反应仍能以85%的收率和90% ee的对映选择性得到插入产物3n (Entry 14).除此以外, 当R²基团为苯基时, 能以近乎定量的收率得到目标产物3o, 对映选择性高达94% ee (Entry 15).当R²基团为对氟苯基时, 使用手性螺环磷酸(S)-1j作为催化剂, 也能以较高的收率以及92% ee的对映选择性得到目标产物3p (Entry 16).

表 2

表 2 底物适用范围: α-重氮酮^a

Table 2. Substrate scope: α-diazoketones

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Entry	R¹	R²	Product	Yield^b/%	ee^c/%
1	Ph	Me	3a	90	94 (R)
2	4-BrC₆H₄	Me	3b	78	90
3	4-MeC₆H₄	Me	3c	87	90
4	3-FC₆H₄	Me	3d	80	95
7	3-ClC₆H₄	Me	3e	81	94
5	3-MeC₆H₄	Me	3f	94	94
6	3-MeOC₆H₄	Me	3g	89	93
8	2-FC₆H₄	Me	3h	72	88
9	2-Naphthyl	Me	3i	91	94
10	Ph	Et	3j	77	93
11	Ph	ⁿBu	3k	74	94
12	Ph	ⁱBu	3l	62	95
13	Ph		3m	76	93
14	Ph		3n	85	90
15^d	Ph	Ph	3o	99	94
16^e	Ph	4-FC₆H₄	3p	86	92
^a Reaction conditions: 0.002 mmol of [Rh], 0.004 mmol of SPA, 0.21 mmol of 2, 0.2 mmol of BnOH, in 3 mL of CHCl₃ at 25 ℃. ^b Yield of isolated product. ^c Determined by HPLC. ^d 0.01 mmol of [Rh], 0.02 mmol of SPA, 1.1 mmol of 2, 1.0 mmol of BnOH, in 15 mL of CHCl₃ at 25 ℃. ^e Used 1 mol% Rh₂(TPA)₄ and 2 mol% (S)-1j as co-catalysts.

在最优条件下, 我们选取重氮底物2a, 研究了不同类型醇的反应行为(Eq. 1).对于苯基对位有甲氧基和三氟甲基取代基的苄醇4a和4b, 反应均能取得高对映选择性.值得一提的是, 当使用乙醇时我们仍能以72%的收率和90% ee的对映选择性得到插入产物5c.对于正丁醇, 在Rh₂(TFA)₄和手性螺环磷酸(S)-1j的协同催化下, 可以以较高的收率和89% ee的对映选择性得到插入产物5d.而对于叔丁基二甲基硅氧基乙醇4e, 反应对映选择性下降为78% ee.当使用三氟乙醇4f时, 虽然收率较高(82%), 但对映选择性降至87% ee.当使用异丁烯醇时, 用Rh₂(TFA)₄和手性螺环磷酸(S)-1j作催化剂, 能以92% ee的对映选择性得到目标产物5g, 说明该体系能够耐受烯烃官能团.

2.3 产物的转化

随后, 研究了上述O—H键插入反应产物的转化. 1, 2-二苯基-2-苄氧基乙酮(3o)在二异丁基氢化铝(DIBAL-H)试剂作用下被还原成以anti为主的α-烷氧基乙醇6^[8]. 反应具有很高的收率(97%)、对映选择性(96% ee)和非对映选择性(anti:syn＞20:1) (Scheme 2); 而在Meerwein-Ponndorf-Verley还原条件下^[9], 化合物3o被转化则以syn为主的α-烷氧基乙醇7 (92%收率, 94% ee, syn:anti＞20:1 (Scheme 2, b).

图式 2

图式 2. 手性α-烷基酮3o的转化

Scheme 2. Transformation of the insertion product 3o

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2.4 基于DFT计算的机理研究

为了进一步探究质子迁移过程中不对称控制的方式, 我们使用密度泛函理论(DFT)方法, 对不对称质子迁移的过渡态进行了计算研究^[10].过渡金属催化α-重氮酮对醇的O—H键插入反应机理如Scheme 1所示.根据之前的研究^[6c], 认为在重氮酮的插入反应过程中金属容易离去, 形成热力学稳定的烯醇中间体(图 1, A, Enol).在手性螺环磷酸介导下, 烯醇中间体从Re面和Si面分别进行1, 3质子迁移, 生成不同构型的产物.因此, 我们计算了手性磷酸参与质子迁移过程生成R构型和S构型产物的过渡态TSI R和TSI S (图 1, A).计算结果虽然表明TSI R为最优过渡态, 但是TSI R和TSI S的吉布斯自由能相差了5.9 kcal/mol(图 1, A).根据Curtin-Hammett原理, 这一计算值与实验值94% ee的对映选择性相差较大.

图 1

图 1. (A) 烯醇中间体质子迁移的能量框架图、(B)水参与的不对称质子迁移模型和(C)生成R和S构型产物的过渡态最优模型(数据均表示Gibbs自由能)

Figure 1. (A) Calculated Gibbs energy profile for the proton-transfer of the enol, (B) water-associated proton-transfer model and (C) transition-states for R and S products (All values are Gibbs free energy)

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为了进一步建立与实验更加符合的手性诱导模型, 根据我们课题组前期的工作^[6e], 考虑到体系中微量水对反应的可能影响^[11], 对烯醇中间体不对称1, 3-质子迁移过程搭建了四种可能的过渡态模型(图 1, B), 分别为不含水分子的TSI R、含有单个水分子且水分子在氧原子端的TSII R、含有单个水分子且水分子在碳原子端的TSIII R以及含有两个水分子且分布在碳原子和氧原子两端的TSIV R.计算结果表明TSIII R的能量最低, 即水分子在碳原子端作为“氢桥”协助手性螺环磷酸进行质子转移是最可能发生的过程.根据以上模型, 我们比较了生成R和S构型产物的过渡态TSIII R和TSIII S的能量.计算结果表明, 生成R构型产物的过渡态TSIII R比生成S构型产物的过渡态TSIII S的吉布斯自由能低2.3 kcal/mol(图 1, C).这一结果与实际得到的产物(R)-3a的绝对构型一致, 也与实验所得94% ee的对映选择性相符合.水的一个质子和磷酸上的蒽基的π电子有OH—π的相互作用, 这对稳定过渡态的构象有一定的帮助.质子迁移过渡态TSIII S中的水分子的H— O—H角度比TSIII R的大了4.9°, 相较于正常的sp³杂化角度109°有一定扭曲, 这可能是导致其能量升高的原因之一.尽管水分子参与的质子转移是一个熵不利的过程, 但是水分子和磷酸同时参与质子迁移可以有效缓解磷酸和烯醇在空间位阻上的排斥, 进而显著降低该步反应过渡态的吉布斯自由能.

需要指出的是, 虽然计算化学表明烯醇中间体和双铑络合物Rh₂(TPA)₄很容易解离, 但是当使用Rh₂(cap)₄和Rh₂(OAc)₄作为催化剂时, 会显著降低反应的对映选择性(表 1, Entries 11~15), 这表明不同的双铑催化剂可能经历不同的反应过程, 有些双铑催化剂可能并没有和烯醇完全解离, 而是参与到了质子转移的过程中.

3. 结论

以非手性双铑络合物和手性螺环磷酸协同催化体系, 成功实现了α-芳基重氮酮对醇O—H键的不对称插入反应.反应具有较高的收率和高达95% ee的对映选择性.反应为手性α-烷基酮类化合物提供了一个高效的合成方法.此外, 运用DFT计算, 获得了反应不对称质子迁移过渡态的重要信息, 提出了水分子参与的质子梭催化模型, 合理地解释了反应的立体化学.

4. 实验部分

铑和手性螺环磷酸协同催化α-芳基重氮酮对醇的O—H键不对称插入反应的典型操作:在手套箱中, 将四(三苯基乙酸)二铑(Ⅱ)二氯甲烷加合物(2.9 mg, 0.002 mmol, 1 mol%)和手性螺环磷酸(R)-1k (3.3 mg, 0.004 mmol, 2 mol%)称入25 mL Schlenk管中, 氩气氛围下加入2 mL氯仿后置于25 ℃水浴中搅拌.在氮气保护下将重氮2a (33.6 mg, 0.21 mmol)和苄醇(21.6 mg, 0.20 mmol)用1 mL氯仿溶解后, 通过注射器缓慢加入上述含催化剂的Schlenk管中, 滴完后保持搅拌5 min.薄层色谱监测反应完全后, 将反应体系减压脱溶, 然后硅胶柱层析(石油醚/乙酸乙酯, V:V＝15:1), 得43.2 mg无色液体3a, 产率90%. [α]_D²⁷ －58.0 (c 1.0, CHCl₃); ¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 7.49~7.28 (m, 10H), 4.82 (s, 1H), 4.61 (d, J＝11.9 Hz, 1H), 4.47 (d, J＝11.9 Hz, 1H), 2.14 (s, 3H); ¹³C NMR (101 MHz, CDCl₃) δ: 206.71, 137.23, 135.88, 128.76, 128.52, 128.42, 127.85, 127.73, 126.99, 86.56, 70.90, 25.22; HRMS (ESI) calcd for C₁₆H₁₆O₂Na [M+Na]⁺ 263.1043, found 263.1045. 94% ee. HPLC分析条件: Chiralpak AD-H手性柱, hexane/ i-PrOH (V:V＝99:1), 流速＝1.0 mL/min, 检测器波长＝220 nm, 柱前压＝4.5×10⁶ Pa, t_R＝8.49 min (主要异构体), t_R＝9.28 min (次要异构体).

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  For preparation and applications of α-diazoketones in catalytic asymmetric reactions, see: (a) Doyle, M. P.; McKervey, M. A.; Ye, T. Modern Catalytic Methods for Organic Synthesis with Diazo Compounds, Wiley, New York, 1998. (b) Doyle, M. P.; Eismont, M. Y.; Zhou, Q.-L. Russ. Chem.Bull. 1997, 46, 955. (c) Kitagaki, S.; Anada, M.; Kataoka, O.; Matsuno, K.; Umeda, C.; Watanabe, N.; Hashimoto, S. J.Am. Chem.Soc. 1999, 121, 1417. (d) Barberis, M.; Pérez-Prieto, J.; Stiriba, S.-E.; Lahuerta, P. Org.Lett. 2001, 3, 3317. (e) Hwang, C. H.; Chong, Y. H.; Song, S. Y.; Kwak, H. S.; Lee, E. Chem. Commun. 2004, 816. (f) Suga, H.; Ishimoto, D.; Higuchi, S.; Ohtsuka, M.; Arikawa, T.; Tsuchida, T.; Kakehi, A.; Baba, T. Org.Lett. 2007, 9, 4359. (g) Taber, D. F.; Tian, W. J.Org.Chem. 2008, 73, 7560. (h) Denton, J. R.; Davies, H. M. L. Org.Lett. 2009, 11, 787. (i) Xu, X.; Qian, Y.; Yang, L.; Hu, W. Chem.Commun. 2011, 47, 797. (j) Qian, Y.; Jing, C.; Liu, S.; Hu, W. Chem. Commun. 2013, 49, 2700. (k) Taber, D. F.; Paquette, C. M.; Gu, P.; Tian, W. J.Org.Chem. 2013, 78, 9772.
5. [5]
  For non-enantioselective O—H insertion using α-diazoketones as carbene precursors, see: (a) Yates, P. J.Am.Chem.Soc. 1952, 74, 5376. (b) Shinada, T.; Kawakami, T.; Sakai, H.; Takada, I.; Ohfune, Y. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 3757. (c) Nelson, T. D.; Song, Z. J.; Thompson, A. S.; Zhao, M.; DeMarco, A.; Reamer, R. A.; Huntington, M. F.; Grabowsk, E. J.; Reider, P. J. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 1877. (d) Muthusamy, S.; Babu, S. A.; Gunanathan, C. Tetrahedron Lett. 2002, 43, 3133. (e) Ronan, B.; Bacqué, E.; Barrière, J. C. Tetrahedron 2004, 60, 3819. (f) Muthusamy, S.; Gnanaprakasam, B.; Suresh, E. Org.Lett. 2005, 7, 4577. (g) Jung, J. C.; Avery, M. A. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 7969.
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  For a review, see: (a) Ren, Y.-Y.; Zhu, S.-F.; Zhou, Q.-L. Org.Biomol.Chem. 2018, 16, 3087. For selected examples, see: (b) Xu, B.; Zhu, S.-F.; Xie, X.-L.; Shen, J.-J.; Zhou, Q.-L. Angew.Chem., Int.Ed. 2011, 50, 11483. (c) Xu, B.; Zhu, S.-F.; Zhang, Z.-C.; Yu, Z.-X.; Ma, Y.; Zhou, Q.-L. Chem. Sci. 2014, 5, 1442. (d) Xu, B.; Zhu, S.-F.; Zuo, X.-D.; Zhang, Z.-C.; Zhou, Q.-L. Angew.Chem., Int.Ed. 2014, 53, 3913. (e) Xu, B.; Li, M.-L.; Zuo, X.-D.; Zhu, S.-F.; Zhou, Q.-L. J. Am.Chem.Soc. 2015, 137, 8700. (f) Guo, J.-X.; Zhou, T.; Xu, B.; Zhu, S.-F.; Zhou, Q.-L. Chem.Sci. 2016, 7, 1104. For selected reviews on cooperative catalysis, see: (g) Zhou, J. Chem.-Asian J. 2010, 5, 422. (h) Zhong, C.; Shi, X.-D. Eur.J.Org.Chem. 2010, 2999. (i) Allen, A. E.; MacMillan, D. W. C. Chem.Sci. 2012, 3, 633. (j) Du, Z.; Shao, Z. Chem.Soc.Rev. 2013, 42, 1337. (k) Wu, X.; Li, M.-L.; Gong, L.-Z. Acta Chim.Sinica 2013, 71, 1091. (吴祥, 李明丽, 龚流柱, 化学学报, 2013, 71, 1091.) (l) Chen, D.-F.; Han, Z.-Y.; Zhou, X.-L.; Gong, L.-Z. Acc.Chem. Res. 2014, 47, 2365.
7. [7]
  For highly enantioselective insertion reactions of α-diazoketones with other heteroatom-hydrogen bonds, see: (a) Ge, M.; Corey, E. J. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 2319. (b) Cheng, Q.-Q.; Xu, H.; Zhu, S.-F.; Zhou, Q.-L. Acta Chim.Sinica 2015, 73, 326. (程清卿, 许唤, 朱守非, 周其林, 化学学报, 2015, 73, 326.) (c) Chen, D.; Zhang, X.; Qi, W.-Y.; Xu, B.; Xu, M.-H. J.Am.Chem.Soc. 2015, 137, 5268.
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  Yin, J.-J.; Mark, A. H.; Karen, M. C.; Joseph, D. A. J.Org.Chem. 2006, 71, 840. doi: 10.1021/jo052121t
10. [10]
  For details of DFT calculation, see supporting information and relevant literature ref. 6c.
11. [11]
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图式 1 过渡金属催化α-重氮酮衍生的卡宾对O—H键的插入反应机理

Scheme 1 Proposed mechanism of transition-metal-catalyzed O—H bond insertion of α-diazoketones

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图式 2 手性α-烷基酮3o的转化

Scheme 2 Transformation of the insertion product 3o

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图 1 (A) 烯醇中间体质子迁移的能量框架图、(B)水参与的不对称质子迁移模型和(C)生成R和S构型产物的过渡态最优模型(数据均表示Gibbs自由能)

Figure 1 (A) Calculated Gibbs energy profile for the proton-transfer of the enol, (B) water-associated proton-transfer model and (C) transition-states for R and S products (All values are Gibbs free energy)

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表 1 反应条件优化^a

Table 1. Optimization of reaction conditions


Entry	[M]	SPA	Yield^b/%	ee^c/%
1	Rh₂(TPA)₄	(R)-1a	76	62
2	Rh₂(TPA)₄	(R)-1b	86	76
3	Rh₂(TPA)₄	(R)-1c	56	17
4	Rh₂(TPA)₄	(R)-1d	43	0
5	Rh₂(TPA)₄	(R)-1e	89	81
6	Rh₂(TPA)₄	(R)-1f	81	10
7	Rh₂(TPA)₄	(R)-1g	76	70
8	Rh₂(TPA)₄	(R)-1h	70	89
9	Rh₂(TPA)₄	(R)-1i	83	90
10	Rh₂(TPA)₄	(S)-1j	81	－91
11	Rh₂(TPA)₄	(R)-1k	90	94
12	Rh₂(piv)₄	(R)-1k	70	92
13	Rh₂(TFA)₄	(R)-1k	63	94
14	Rh₂(cap)₄	(R)-1k	70	62
15	Rh₂(OAc)₄	(R)-1k	56	18
16^d	Rh₂(TPA)₄	(R)-1k	81	90
17^e	Rh₂(TPA)₄	(R)-1k	78	68
^a Reaction conditions: 0.002 mmol of [Rh], 0.004 mmol of SPA, 0.21 mmol of 2a, 0.2 mmol BnOH, in 3 mL of CHCl₃ at 25 ℃. All the reactions accomplished in 5 min. ^b Yield of isolated product. ^c Determined by HPLC. ^d Use 0.1 mol% Rh₂(TPA)₄. ^e Use 0.1 mol% Rh₂(TPA)₄ and 0.2 mol% SPA.

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表 2 底物适用范围: α-重氮酮^a

Table 2. Substrate scope: α-diazoketones


Entry	R¹	R²	Product	Yield^b/%	ee^c/%
1	Ph	Me	3a	90	94 (R)
2	4-BrC₆H₄	Me	3b	78	90
3	4-MeC₆H₄	Me	3c	87	90
4	3-FC₆H₄	Me	3d	80	95
7	3-ClC₆H₄	Me	3e	81	94
5	3-MeC₆H₄	Me	3f	94	94
6	3-MeOC₆H₄	Me	3g	89	93
8	2-FC₆H₄	Me	3h	72	88
9	2-Naphthyl	Me	3i	91	94
10	Ph	Et	3j	77	93
11	Ph	ⁿBu	3k	74	94
12	Ph	ⁱBu	3l	62	95
13	Ph		3m	76	93
14	Ph		3n	85	90
15^d	Ph	Ph	3o	99	94
16^e	Ph	4-FC₆H₄	3p	86	92
^a Reaction conditions: 0.002 mmol of [Rh], 0.004 mmol of SPA, 0.21 mmol of 2, 0.2 mmol of BnOH, in 3 mL of CHCl₃ at 25 ℃. ^b Yield of isolated product. ^c Determined by HPLC. ^d 0.01 mmol of [Rh], 0.02 mmol of SPA, 1.1 mmol of 2, 1.0 mmol of BnOH, in 15 mL of CHCl₃ at 25 ℃. ^e Used 1 mol% Rh₂(TPA)₄ and 2 mol% (S)-1j as co-catalysts.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142