图1 联烯酸乙酯与丙烯酸乙酯的[3+2]环加成反应
Figure 1. [3+2] Annulation of allenoate 1 and ethyl acrylate 2
引用本文:
杨丽军, 马军安. 亲核叔膦促进的联烯酸酯环加成反应研究进展[J]. 化学学报,
2015, 74(2): 130-148.
doi:
10.6023/A15090617
Citation: Yang Lijun, Ma Junan. New Advances on Nucleophilic Phosphine-Triggered Annulation Reactions of Allenoates[J]. Acta Chimica Sinica, 2015, 74(2): 130-148. doi: 10.6023/A15090617
Citation: Yang Lijun, Ma Junan. New Advances on Nucleophilic Phosphine-Triggered Annulation Reactions of Allenoates[J]. Acta Chimica Sinica, 2015, 74(2): 130-148. doi: 10.6023/A15090617
亲核叔膦促进的联烯酸酯环加成反应研究进展
摘要:
20世纪90年代中期,陆熙炎教授报道了亲核叔膦促进的联烯酸酯与缺电子烯烃和亚胺环加成反应.二十年来,作为高效构建功能化碳环及杂环化合物方法,叔膦促进的联烯酸酯环加成反应的发展和应用受到化学家的广泛关注.多样性的亲核叔膦和不同结构联烯酸酯的引入,可呈现多种类型的环加成反应.特别是手性叔膦的应用,高选择性地实现了对该类反应的不对称催化,为一些天然产物和药物模块的全合成开辟了新途径.此外,醛酮化合物也被运用到此类反应中,构建了多种有用的含氧杂环.本篇综述包括六部分:第一部分是引言,概括介绍陆氏反应;第二至五部分分别阐述了亲核叔膦促进联烯酸酯与缺电子烯烃、亚胺、醛酮以及特定亲核试剂的各种环加成反应;最后一部分是总结与展望.
English
New Advances on Nucleophilic Phosphine-Triggered Annulation Reactions of Allenoates
Abstract:
In the mid 1990s, Lu and co-workers reported the nucleophilic phosphine-triggered annulation reactions of allenoates with electron-deficient olefins or imines. As one of the most efficient and straightforward synthetic strategies for the construction of highly functionalized carbocycle or heterocycle structural motifs, the development and application of nucleophilic phosphine-triggered annulation of allenoates by using various nucleophilic phosphines and electron-deficient partners have attracted more and more interests of chemists over the past decades. Furthermore, the development of asymmetric phosphine-triggered annulation of allenoates cleaved a new way to the total synthesis of bioactive natural products and medicinally important substances. In addition, aldehydes and ketones were also employed into this reaction, leading to a wide range of O-fused heterocycles. This review focuses on the important developments concerning racemic and asymmetric annulation reactions of allenoates in the past two decades.
-
Key words:
- nucleophilic phosphine
- / allenoate
- / annulation reaction
- / Lu Reaction
- / zwitterionic intermediate
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1 引言
1997年,陆熙炎等[6]又报道了三苯基膦促进的联烯酸甲酯1与磺酰醛亚胺8的[3+2]环加成反应,以53%～98%的收率得到了二氢吡咯衍生物9,经简单转化可合成二取代吡咯类化合物10(图 3). 在反应中,亲核叔膦进攻联烯酸酯sp杂化β-碳原子得到两性离子中间体,高度区域选择性地以α-位碳负离子4对亚胺进行亲核加成,生成中间体11,再经分子内环化、质子迁移,得到环加成产物9,同时释放出叔膦催化剂完成一个催化循环(图 4). 当醛亚胺氮上连有其它拉电子取代基团(如二苯磷酰基、对硝基苯磺酰基及三甲基硅基乙磺酰基),环加成反应仍能保持好的收率和区域选择性[7].
图2 联烯酸乙酯与丙烯酸乙酯的[3+2]环加成反应机理
Figure 2. Mechanism of allenoate-acrylate [3+2] annulation
叔膦作为一类具有较强亲核性的路易斯碱,被大量应用于催化有机化学反应. 其中,亲核叔膦促进的联烯酸酯环加成反应已经发展成为一种构建各种官能团化的碳环及杂环化合物的有效途径[1].
图4 联烯酸甲酯与对甲苯磺酰亚胺的[3+2]环加成反应机理
Figure 4. Mechanism of allenoate-imine [3+2] annulation
1995年,陆熙炎课题组[2]首次报道了亲核叔膦催化下联烯酸酯与缺电子烯烃的[3+2]环加成反应. 在10 mol%三苯基膦催化下,联烯酸乙酯1与丙烯酸乙酯2能发生[3+2]环加成反应,以较高的收率生成α-和γ-环戊烯衍生物3,并伴有少量联烯酸酯二聚体(图 1).
图3 联烯酸甲酯与对甲苯磺酰亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 3. [3+2] Annulations of allenoate 1 and N-tosylimines
此后近二十年,亲核叔膦促进的联烯酸酯与缺电子烯烃C=C键和亚胺C=N键的环加成反应,以及拓展的叔膦促进联烯酸酯与醛酮C=O键的环加成反应,在合成方法学上取得了显著进展,各种联烯酸酯和多样性的亲核叔膦被发展和应用,部分反应作为关键步骤还被成功用于天然产物的全合成. 在这篇综述中,我们对这类反应进行梳理和分析,分别总结叔膦促进下联烯酸酯与活化烯烃、亚胺、醛酮及特定亲核试剂的非不对称以及不对称环加成反应.
反应机理可能涉及到三苯基膦对联烯酸酯sp杂化β-碳原子的亲核进攻,首先生成两性离子中间体4和5,其被缺电子烯烃2捕获,再进行分子内环化反应,得到膦叶立德中间体6和7,最后经质子迁移以及叔膦的离去生成[3+2]环加成产物,再生的三苯基膦进入下一个催化循环. 随后余志祥等[3, 4]利用理论计算化学和同位素标记实验进一步分析了该反应机理,并发现体系中痕量水的存在有利于质子迁移,加速反应进行(图 2). 对于γ-位连有取代基的联烯酸酯,同样能进行该反应,生成含更多取代基的环戊烯衍生物,但反应的收率有所降低[5].
2 亲核叔膦促进联烯酸酯与缺电子烯烃C=C键的环加成反应
2.1 联烯酸酯与缺电子烯烃C=C键[3+2]环加成反应
2007年Kwon等[13]报道了分子内的缺电子烯烃与联烯酸酯的环加成反应. 当内烯烃26上连有酯基或砜基时,在20 mol%三丁基膦作用下,能发生常规的分子内[3+2]环加成反应,以63%～98%的收率生成三并环产物27. 然而,当拉电子基团为硝基时,亲核性较弱的三(对氟苯基)膦能促进其生成意外的硝酯类化合物28,可进一步与反式烯烃反应,形成四并环化合物(图 8). 最近,Fu小组[14]又实现了分子内缺电子烯烃与联烯酸酯的不对称环加成反应,成功构建了手性杂并环类化合物. 分子间联烯酸酯与硝基烯烃29的[3+2]环加成反应直到2010年才被施敏课题组[15]所实现,环加成产物作为亲核试剂,能与另一分子联烯酸酯发生γ-Umpolung加成反应,最终生成环戊烯衍生物30(图 9). 需要注意的是,烷基硝基烯烃也能进行该反应,但收率比芳香硝基烯烃低.
图16 手性膦75催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 16. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 75
卢一新课题组发展的二肽衍生的双功能叔膦78是一类高效的手性催化剂. 2011年,利用此类催化剂,该小组实现了联烯酸叔丁酯与α-位连有取代基的丙烯酸酯77的不对称[3+2]环加成反应,可方便构建含季碳立体中心的手性环戊烯衍生物79[34]. 随后,在这种催化剂作用下,他们又成功实现了联烯酸酯与丙烯酰胺80以及马来酰亚胺82的不对称[3+2]环加成反应,得到了一系列官能团化的手性环戊烯类化合物[35](图 17).
图11 联烯酸酯与环内缺电子烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 11. [3+2] Annulations of allenoates and endocyclic olefins
手性叔膦促进的联烯酸酯参与的不对称环加成反应也取得了很好进展. 1997年张绪穆课题组[24]实现了联烯酸酯与缺电子烯烃的不对称[3+2]环加成反应. 桥环结构的手性叔膦54能很好地催化联烯酸乙酯与丙烯酸异丁酯53反应,以88%的收率和93% ee的对映选择性生成单一区域选择性的手性环戊烯衍生物55(图 12). 丙烯酸甲酯或乙酯由于其酯基基团较小,因此反应的对映选择性明显降低.
图18 手性膦85或89催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 18. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphines 85 or 89
图17 手性膦78催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 17. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphine 78
图15 手性膦66催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 15. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphine 66
图12 手性膦54催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 12. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 54
图7 叔膦催化联烯酸酯与芳香醛、丙二腈的三组分环加成反应
Figure 7. Phosphine-catalyzed one-pot synthesis of cyclopentenes
图5 联烯酸酯与缺电子烯烃[3+2]环加成反应合成茅苍术醇
Figure 5. Allenoate-olefin [3+2] annulation in the synthesis of (-)- hinesol
2008年,Marinetti课题组报道了一种二茂铁衍生的手性叔膦66,并成功催化了联烯酸乙酯与缺电子烯烃的不对称[3+2]环加成反应[29]. 缺电子烯烃的范围主要是查尔酮56,在反应过程中联烯酸酯更趋向于对查尔酮发生γ-位亲核进攻,得到相应的环加成产物67,对映选择性可高达96% ee. 此外,富马酸酯以及丙烯酸酯也能很好地适用于该反应. 随后,另外一些含有环外或环内双键的亲电试剂也被用于检验该催化剂的不对称催化活性,均以较高的收率和对映选择性得到了目标产物[30]. 2010年,该课题组又利用这类催化剂成功实现了拉电子能力较弱的联烯磷酸酯72与查尔酮56的[3+2]环加成反应,并取得了很好的反应效果[31](图 15). 这种二茂铁衍生的手性叔膦催化剂在空气中有很好的稳定性,并可循环使用,具有良好的实用价值. 他们在研究二茂铁衍生的手性叔膦66的适用范围时,与Fu小组研制的联萘骨架衍生的手性叔膦57作了比较,发现这两类叔膦都能实现联烯酸酯与缺电子烯烃[3+2]环加成反应的不对称催化,且往往能起到互补的催化效果[32].
在实现了联烯酸酯与β-取代链状缺电子烯烃的[3+2]环加成反应后,化学家们进一步将目光转向C=C键在环上(环外或环内)的β-取代烯烃. 下面分别作一下简要介绍.
在联烯酸酯与链状端烯[3+2]环加成反应的基础上,陆熙炎等又将含有环外双键的缺电子烯烃引入此反应,可以高效地构建螺环化合物[8],为含有螺环骨架天然产物的全合成提供了新方法. 2003年,他们以S构型的环外缺电子烯烃12为起始原料,通过其与联烯酸叔丁酯1的[3+2]环加成反应,以中等的收率和较高的非对映选择性得到手性螺环化合物13,经进一步转化,成功合成了重要天然产物茅苍术醇14(图 5)[9].
2010年,赵刚等[33]利用氨基酸衍生的双功能手性叔膦催化剂75实现了联烯酸乙酯与双拉电子活化烯烃74的不对称[3+2]环加成反应,并以高达99%的收率和99% ee的对映选择性合成了一系列手性环戊烯衍生物76(图 16). 当联烯酸酯的γ-位连有取代基时,产物虽然能保持很高的收率,但是对映选择性有明显的降低.
图8 联烯酸酯与缺电子烯烃的分子内环加成反应
Figure 8. Intramolecular allenoate-olefin annulations
对于C=C键在环内的缺电子烯烃,同样适合于此反应. 早在1997年,Wu小组和Walton小组就几乎同时报道了叔膦催化联烯酸酯1与[60]富勒烯42的[3+2]环加成反应,成功地将环戊烯结构引入富勒烯化合物,得到富勒烯加成产物43[19]. Martin课题组[20]以二茂铁衍生的手性叔膦为催化剂,实现了γ-位连有取代基的联烯酸酯与[60]富勒烯的不对称[3+2]环加成反应. 2000年Ishar课题组[21]实现了联烯酸乙酯与醛基取代色酮44的[3+2]环加成反应. 反应过程中,伴随着醛基基团的脱除,生成了单一区域和非对映选择性的环加成产物45. 随后,Garcia Ruano等[22]用γ-位甲基取代的联烯酸酯16与不同构型的手性亚磺酰基呋喃酮类化合物46和47反应,分别得到了相应的光学纯二并环内酯类化合物48和49. 2009年Krische小组[23]以联烯酸乙酯与手性环内缺电子烯烃50的[3+2]环加成产物51为起始原料,经十步反应,成功合成了重要天然产物京尼平苷52(图 11).
除了马来酸酯和富马酸酯[2]以外,上述报道的反应中缺电子烯烃均为端烯. 2006年,陆熙炎课题组[12]又实现了三苯基膦催化下联烯酸乙酯与β-位连有芳基、α-位连有两个拉电子氰基的内烯烃24的[3+2]环加成反应.考虑到三苯基膦也能催化Knoevenagel缩合,他们还巧妙地实现了叔膦催化芳香醛22、丙二腈23和联烯酸酯的三组分环加成反应,以26%～86%的收率获得了一系列四取代的环戊烯化合物25(图 7).
2013年,施敏课题组[36]利用联萘骨架衍生的双功能手性硫脲叔膦催化剂85实现了联烯酸苄酯与α-位连有取代基的丙烯酸酯84的不对称[3+2]环加成反应. 2015年,Marinetti等[37]又设计了一种螺旋烯骨架的新型手性叔膦89,高效催化了γ-位连有取代基的联烯酸酯87与双氰基拉电子活化烯烃88的不对称[3+2]环加成反应,生成含两个立体中心的手性环戊烯衍生物90(图 18).
图14 手性膦64催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 14. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 64
图6 联烯酸酯与缺电子烯烃[3+2]环加成反应制备L-谷氨酸类似物
Figure 6. Allenoate-olefin [3+2] annulations in the synthesis of L-glutamate analogues
2011年肖文精小组[16]将噁唑酮骨架作为活化基团引入烯烃31,成功实现了其与联烯酸苄酯1的[3+2]环加成反应,构建了一系列螺环化合物32,并可进一步转化生成天冬氨酸类似物. 同一年,施敏课题组[17]又以靛红衍生的三取代或四取代缺电子烯烃33和35为原料,高收率、高非对映选择性地实现了该类反应. 最近,Marinetti课题组[18]用三苯基膦催化γ-取代联烯酸酯37与含有靛红骨架的缺电子烯烃38反应,以93%的收率生成[3+2]环加成产物39,并经进一步转化成功合成了抗癌药物类似物40和41(图 10).
图9 联烯酸乙酯与硝基烯烃的环加成反应
Figure 9. Annulations of allenoate 1 and nitroolefins
图10 联烯酸酯与β-取代环外缺电子烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 10. [3+2] Annulations of allenoates and β-substituted exocyclic olefins
相对于前人报道的仅依靠空间相互作用诱导底物产生手性的叔膦,Miller等[28]设计了一种含有氢键供体的手性叔膦,通过其与底物之间产生氢键相互作用,向产物中引入高的对映选择性. 在10 mol% α-氨基酸衍生的双功能手性叔膦催化剂64作用下,联烯酸苄酯1与四氢萘酮衍生的环外活化烯烃63能顺利地发生[3+2]环加成反应,以95%的收率和80% ee的对映选择性得到手性螺环化合物65(图 14).
图13 手性膦57和61催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 13. Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphines 57 or 61
尽管取得了一些研究成果,但之后十年手性叔膦催化的联烯酸酯参与的不对称环加成反应并未取得较好的发展. 直到2006年,Fu小组以联萘骨架衍生的手性叔膦57为催化剂,成功实现了联烯酸乙酯与查尔酮56的不对称[3+2]环加成反应[25],以39%～74%的收率和75%～90% ee的对映选择性获得环加成产物58,而且产物的区域选择性为联烯酸酯的γ-位碳负离子对烯烃加成为主. 二烯酮也适用于此反应,但只能与当量的联烯酸酯反应,生成单边的环加成产物. 随后,他们又用类似的手性叔膦催化剂61成功合成了含有杂原子取代季碳手性中心的手性环戊烯衍生物62[26](图 13). 2012年,Jorgensen小组[27]也采用这类催化剂实现了联烯酸酯与吖内酯衍生的缺电子烯烃的不对称[3+2]环加成反应,环化产物在反应体系中可进一步转化,最终一锅多步地合成了α-氨基酸酯类化合物.
为了合成环戊烯基L-谷氨酸类似物,Pyne及其合作者以三苯基膦为催化剂,将γ-位连有不同取代基的联烯酸酯16和17分别与R构型的环外缺电子烯烃15发生[3+2]环加成反应,得到两种构型相反的产物18和19,经进一步转化可分别生成相应的氨基酸衍生物20和21 (图 6)[10]. 随后,他们又采用类似的底物和方法,成功合成了几种活性天然产物[11].
2.2 联烯酸酯与缺电子烯烃C=C键[4+2]环加成反应
图22 手性膦102催化联烯酸酯与双氰基拉电子烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 22. Asymmetric allenoate-olefin [4+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 102
赵刚课题组[44]利用其代表性的氨基酸衍生手性叔膦106,实现了联烯酸酯104与氰基酯基拉电子活化烯烃105的不对称[4+2]环加成反应,高区域选择性、非对映选择性及对映选择性地制备了含三个相邻立体中心的环己烯衍生物107(图 23). 无论是芳香醛还是脂肪醛衍生的缺电子烯烃都能很好地适用于此反应.
与[3+2]环加成反应相比,联烯酸酯与缺电子烯烃的[4+2]环加成反应发展相对缓慢,直到2007年才由Kwon课题组所实现. 在亲核叔膦作用下,α-位甲基取代的联烯酸酯91与双氰基拉电子活化烯烃24可发生[4+2]环加成反应,高效地合成了多取代环己烯衍生物[38].研究过程中发现,叔膦的亲核性对反应的区域选择性有明显的影响. 在亲核性较强的三(二甲氨基)膦(HMPT)催化下,联烯酸酯γ-位碳负离子进攻活化烯烃,生成相应的环化产物92γ; 而在亲核性较弱的三对氯苯基膦[P(4-ClC6H4)3]催化下,联烯酸酯β'-位碳负离子进攻活化烯烃,得到相应的环化产物92β' (图 19). 随后,该课题组又将双酯基和酯基氰基拉电子活化烯烃作为亲电试剂用于此反应中,获得了一系列多取代的环己烯类化合物,但收率有明显降低[39].
联烯酸酯与缺电子烯烃的不对称[4+2]环加成反应直到2012年才被卢一新课题组[43]所实现. 运用氨基酸衍生的手性叔膦催化剂102,能以高达96%的收率和99% ee的对映选择性合成多取代的手性环己烯化合物103(图 22). 随后,他们还将靛红骨架引入缺电子烯烃,高收率、高对映选择性地构建了手性螺环化合物.
图19 联烯酸酯与双氰基拉电子活化烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 19. [4+2] Annulations of allenoate 91 and arylidenemalononitriles
图20 联烯酸酯与3-甲酰基色酮的[4+2]环加成反应
Figure 20. [4+2] Annulations of allenoates and 3-formylchromones
图23 手性膦106催化联烯酸酯与烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 23. Asymmetric allenoate-olefin [4+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 106
鉴于含有苯并吡喃酮结构的三并环骨架广泛存在于天然产物结构中,Kumar课题组[40]用三丁基膦催化α-位连有取代基的联烯酸酯93与3-甲酰基色酮44发生[4+2]环加成反应,方便地构建了含环己烯结构的此类化合物94(图 20),经进一步修饰,可得一系列天然产物模块. 需要注意的是,色酮3-位的甲酰基能够活化环内双键,使反应顺利发生,并在环加成反应完成之后自动脱落,不含甲酰基取代的色酮不能发生该反应.
图21 γ-取代联烯酸酯与缺电子烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 21. [4+2] Annulations of γ-substituted allenoates and electron- deficient olefins
2013年,黄有[41]和Marinetti[42]小组几乎同时报道了三苯基膦催化下γ-位连有取代基的联烯酸酯与缺电子烯烃的[4+2]环加成反应,高收率、高非对映选择性地合成了螺环己烯衍生物(图 21). 与上述[4+2]环加成反应机理不同的是,该反应过程中,叔膦进攻联烯酸酯生成的两性离子中间体首先经过氢迁移形成δ-位碳负离子,然后其再对缺电子烯烃进行亲核加成得到最终的环加成产物.
2.3 联烯酸酯与联烯酸酯C=C键[3+2]、[3+2+2]和[3+2+2+2]环加成反应
图24 联烯酸酯自聚反应生成五元、七元及九元环化合物
Figure 24. The formation of 1,n-zwitterions (n=5,7,and 9) of allenoate-P(NEt2)3 and the subsequent self-annulations
考虑到联烯酸酯自身也是一种缺电子烯烃,因此叔膦促进联烯酸酯与联烯酸酯的环加成反应是一个值得探究的课题. 陆氏反应问世之初,陆熙炎等[2]就在反应产物中分离得到了联烯酸酯二聚化合物112. 受此启发,马军安课题组[45]系统地研究了联烯酸酯的自聚反应,成功实现了联烯酸酯的二聚、三聚及四聚,得到了相应的五元、七元及九元环产物,并通过理论计算的方法对反应过程做出了合理解释. 联烯酸乙酯1在当量强亲核性的三(二乙氨基)膦(HEPT)进攻下,能够形成常规的1,3-内嗡盐108,其对另一分子联烯酸酯进攻生成1,5-内鎓盐109,该内鎓盐除了自身环化生成环戊烯酸酯112外,还可进一步对另一分子联烯酸酯进攻,形成1,7-和1,9-内鎓盐(113和117),进而生成相应的七元及九元环化合物(116和120). 通过理论计算得知,生成1,n-内鎓盐(n=5,7或9)需要跨越较高的化学能垒,而且考虑到叔膦在空气中容易被氧化,因此该反应需要在氩气氛围的密闭体系中回流10 d才能生成目标产物(图 24).
2.4 联烯酸酯与共轭烯烃C=C键Domino环加成反应
图25 γ-取代联烯酸酯与共轭烯烃的Domino环加成反应
Figure 25. Domino annulations of γ-substituted allenoates and conjugated olefins
亲核叔膦促进联烯酸酯与共轭烯烃的Domino环加成反应是构建芳环或并环化合物的有效途径. 2013年,黄有课题组以50 mol%三对氯苯基膦为催化剂,γ-位甲基取代的联烯酸酯121与二烯砜类化合物122发生Domino环加成反应,高收率地合成了联苯类化合物123[46]. 2014年,该课题组又报道了三丁基膦催化下γ-位连有取代基的联烯酸酯95与双氰基拉电子共轭烯烃124的连续[2+3]/[3+2]环加成反应,以57%～98%的收率构建了一系列二并环化合物125[47](图 25). 随后,他们又以三苯基膦为催化剂,成功实现了γ-位连有取代基的联烯酸酯与查尔酮以及α,β-不饱和羰基酸酯的Domino[2+3]/[3+2]环加成反应,得到含氮或氧的二并环化合物[48].
3 亲核叔膦促进联烯酸酯与醛酮亚胺C=N键的环加成反应
3.1 联烯酸酯与亚胺C=N键[3+2]环加成反应
含三氟甲基的化合物由于其特殊的理化性质在化学、医药、材料等领域发挥着越来越重要的作用,因此通过联烯酸酯参与的环加成反应高效构建含三氟甲基的杂环化合物具有重要意义. 马军安课题组[55]利用叔膦催化联烯酸乙酯与二氟或三氟甲基取代的环状酮亚胺137发生环加成反应,合成了一系列二氟或三氟甲基取代的稠杂环化合物. 在0 ℃下,用亲核性较弱的三苯基膦催化该反应,能发生[3+2]环加成反应,以52%～98%的收率得到三并环化合物138; 而室温下,在亲核性较强的1,3-双(二苯基膦)丙烷作用下,一分子亚胺能与两分子联烯酸酯发生连续的[3+2]/[3+2]环加成反应,以64%～97%的收率得到四并环化合物139(图 29). 值得注意的是,如果将亚胺分子上的二氟或三氟甲基换成甲基或苯基时,反应不能发生. 这说明具有强拉电子能力的二氟或三氟甲基基团对该环加成反应的顺利进行起到了至关重要的作用.
手性叔膦催化联烯酸酯与亚胺的不对称[3+2]环加成反应研究进展相对较为缓慢. 直到2006年,Marinetti课题组在筛选了一系列手性叔膦催化剂之后,选用最优的环番衍生手性叔膦141实现了联烯酸乙酯与1-萘甲醛衍生磺酰亚胺140的不对称[3+2]环加成反应,但是反应的收率和对映选择性都较低[56]. 随后,他们发现联萘骨架衍生的手性叔膦143能更好地催化此类反应,使收率和对映选择性有了明显的提高[57]. 2008年,该课题组又利用手性叔膦143成功催化了拉电子能力较弱的联烯磷酸酯72与苯甲醛衍生磺酰亚胺145的不对称[3+2]环加成反应[58]. 在该类催化剂作用下,联烯酸酯也能与二苯磷酰醛亚胺147发生环加成反应,以中等的收率和较高的对映选择性生成环加成产物148(图 30). 由于二苯膦酰保护基在酸性条件下易离去,因此产物可经进一步转化生成二取代的手性二氢吡咯类化合物[59].
图26 γ-位取代的联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 26. [3+2] Annulations of γ-substituted allenoates and aldimines
图28 联烯酸酯与环状磺酰酮亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 28. [3+2] Annulations of allenoates and cyclic ketimines
图31 手性膦149催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 31. Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 149
2012年,卢一新课题组[62]再次展示了其二肽衍生双功能手性叔膦的良好催化效果,成功实现了联烯酸叔丁酯与二苯磷酰亚胺153的不对称[3+2]环加成反应,以75%～94%的收率和93%～99% ee的对映选择性获得了手性的二氢吡咯衍生物155(图 33). 无论是芳香醛还是脂肪醛衍生的亚胺都能很好地适用于该反应. 作者还将其中一个脂肪醛亚胺与联烯酸叔丁酯的环化产物进行进一步转化,成功合成了天然生物碱类化合物(+)-trachelanthamidine的前体.
图29 联烯酸酯与三氟甲基取代环状酮亚胺的环加成反应
Figure 29. Annulations of allenoate 1 and cyclic ketimines
2013年,Wang课题组[53]成功地将环状磺酰醛亚胺133引入此类反应,以71%～97%的收率构建了一系列三并环化合物134(图 27). 值得注意的是,在加热条件下含有三氟甲基的环状磺酰酮亚胺也适合于该反应. 此外,他们还对该反应进行了不对称催化尝试,但对映选择性较低.
图33 手性膦154催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 33. Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 154
图32 手性膦151催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 32. Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 151
最近,Kwon等[63]以羟基脯氨酸为原料,经六步反应合成了两种互为非对映异构体的桥环手性叔膦,并将它们用于催化γ-位连有取代基的联烯酸酯87与磺酰醛亚胺的不对称[3+2]环加成反应. 作者通过控制叔膦催化剂的构型,高效地实现了(+)和(-)两种构型相反的二氢吡咯衍生物的构建. 他们还采用手性叔磷160催化γ-位乙基取代的联烯酸酯162与吲哚-3-甲醛衍生磺酰醛亚胺163的不对称[3+2]环加成反应,以93%的收率和99% ee的对映选择性得到多取代的二氢吡咯衍生物164,经过13步反应,合成了单萜吲哚生物碱(+)-ibo-phyllidine 165[64](图 34).
Gladysz小组[60]也是较早研究联烯酸酯与醛亚胺不对称环加成反应的课题组. 他们用铼原子为立体中心的手性叔膦149实现了联烯酸乙酯与磺酰亚胺8的不对称[3+2]环加成反应,虽然需要较长的反应时间,但是能以90%以上的收率和中等的对映选择性获得环加成产物150(图 31).
醛亚胺与联烯酸酯的[3+2]环加成反应已被多次报道,但酮亚胺由于其较低的活性,很难作为亲电试剂与联烯酸酯发生环加成反应. 2012年叶松小组[54]实现了环状磺酰酮亚胺135与联烯酸酯的[3+2]环加成反应,并以中等到较高的收率得到了三并环化合物136(图 28). 磺酰基强的拉电子能力使得这种环状酮亚胺的活性比普通酮亚胺活性高,因此该反应能够顺利发生.
在陆熙炎教授研究成果基础上,2005年,Kwon[49]和施敏[50]课题组分别报道了γ-位连有取代基的联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应,高收率、高非对映选择性地构建了多取代的二氢吡咯类化合物. 由于γ-位连有取代基的联烯酸酯反应活性较低,所以这类反应需要在亲核性较强的PBu3或者PPhMe2促进下完成. 2008年,贺峥杰小组采用在空气中稳定存在的强亲核性桥环叔膦PTA为催化剂,实现了γ-位连有取代基的联烯酸酯87与对甲苯磺酰醛亚胺8的[3+2]环加成反应[51]. 随后,他们又采用该催化剂实现了γ-位甲基取代的联烯酸酯16与硫代磷酰醛亚胺131的[3+2]环加成反应[52](图 26).
图34 手性膦157和160催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 34. Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphine 157 or 160
2008年,Jacobsen课题组[61]发展了一类新型的双功能手性叔膦硫脲催化剂151,它可以通过与亚胺形成氢键的方式实现对底物的活化,进而高收率、高对映选择性地催化了联烯酸乙酯与二苯磷酰亚胺152的不对称[3+2]环加成反应(图 32). 研究发现,向反应体系中加入少量的三乙胺和水能明显提高反应速率,究其原因可能是水可以促进反应进程中质子迁移过程,而三乙胺可以促进叔膦催化剂的再生[3a].
图30 Marinetti报道的联烯酸酯与醛亚胺不对称[3+2]环加成反应
Figure 30. Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulations reported by Marinetti
图27 联烯酸酯与环状磺酰醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 27. [3+2] Annulations of allenoate 1 and cyclic sulfimides
3.2 联烯酸酯与亚胺C=N键[4+2]环加成反应
图38 叔膦催化联烯酸酯与磺酰亚胺的不对称[4+2]环加成反应
Figure 38. Asymmetric allenoate-aldimine [4+2] annulations
联烯酸酯与亚胺的[4+2]环加成反应是构建六元杂环化合物的有效方法,该类反应直到2003年才被Kwon课题组[65]第一次报道. 在20 mol%三丁基膦催化下,α-位连有取代基的联烯酸酯93能与磺酰亚胺8发生[4+2]环加成反应,高收率、高区域选择性地合成了多取代的四氢吡啶衍生物166. 研究发现,当β'-位连有拉电子取代的芳基(如4-氰基苯基)时,反应能在更短的时间内完成,即增强β'-H的酸性能够加快反应速率. 由于四氢吡啶骨架广泛存在于天然产物中,因此该课题组又以该类反应的产物为起始原料,成功实现了三种吲哚类生物碱的全合成[66](图 35). 随后,他们又将此类反应应用到生物领域. 在叔膦作用下,负载在树脂上的联烯酸酯也能与磺酰亚胺发生环加成反应,高效合成了大量含氮杂环化合物,并可从中筛选出具有生物活性的分子[67].
图35 联烯酸酯与磺酰醛亚胺[4+2]环加成反应合成吲哚类生物碱
Figure 35. Allenoate-aldimine [4+2] annulation in the synthesis of indole alkaloids
2005年,Fu小组[70]用联萘骨架衍生的手性叔膦57首次实现了β'-位酯基取代的联烯酸酯104与磺酰亚胺8的不对称[4+2]环加成反应,以42%～99%的收率、60%～99% ee的对映选择性和79/21～96/4的非对映选择性获得了手性四氢吡啶衍生物176,可进一步转化生成含有四个手性中心的哌啶衍生物. 这个反应为一些天然产物骨架的合成提供了简便有效的方法. 2011年,赵刚等[71]利用其代表性的单肽衍生双功能手性叔膦75也实现了对上述反应的不对称催化,得到的产物经过简单的还原及脱保护,可顺利生成三取代的手性哌啶类化合物(图 38).
图37 联烯酸酯与环状磺酰酮亚胺的[4+2]环加成反应
Figure 37. [4+2] Annulations of allenoate 91 and cyclic ketimines
2008年,Marinetti课题组[58]利用亲核性较强的三丁基膦成功催化了拉电子能力较弱的α-位甲基取代的联烯磷酸酯173与磺酰亚胺8的[4+2]环加成反应,收率可达到70%以上(图 36). 当醛亚胺芳基上连有拉电子取代基(如硝基)时,该反应不能进行.
图36 联烯膦酸酯与对甲苯磺酰亚胺的[4+2]环加成反应
Figure 36. [4+2] Annulations of allenylphosphonate 173 and N-tosylimines
由于活性较低,普通酮亚胺很难与联烯酸酯发生环加成反应. 2012年,叶松课题组[68]用20 mol%三对氟苯基膦作催化剂,α-位甲基取代的联烯酸酯91与环状磺酰酮亚胺135在二氯甲烷中回流反应3 d,以中等到较高的收率得到了预期的[4+2]环化产物. 与醛亚胺[4+2]环加成反应不同的是,叔膦进攻联烯酸酯得到两性离子中间体的β'-碳负离子更容易对酮亚胺进攻,从而生成酯基与氮原子处于对位的四氢吡啶衍生物175(图 37). 2014年,Sasai课题组[69]采用螺环骨架的手性叔膦实现了对该反应的不对称催化,高收率、高对映选择性地得到了联烯酸酯γ-碳负离子对亚胺进攻生成的γ-加成产物.
3.3 联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺环加成反应
图39 联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺环加成反应
Figure 39. Annulations of allenoates and azomethine imines
含两个氮的杂环是许多具有生物活性分子的重要组成模块,因此构建偶氮杂环化合物具有重要的意义. 2011年,Kwon等[72]报道了叔膦催化下,联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺178的[3+2]、[3+3]、[4+3]以及[3+2+3]环加成反应,成功合成了几类偶氮杂并环化合物. 根据叔膦亲核性强弱以及联烯酸酯结构的不同,能呈现出不同的反应模式,可构建不同大小的环状化合物. 在亲核性较强的三丁基膦或三甲基膦催化下,采用β'-位连有氢、烷基、烯基或芳基的联烯酸酯93时主要发生[3+2]环加成反应,即联烯酸酯的β-和γ-碳参与环化. 然而在三丁基膦催化下,当使用γ-位连有取代基的联烯酸酯87与对硝基苯基甲亚胺反应时,能够得到[3+3]环加成产物180,并伴随着[3+2]副产物的生成. 当联烯酸酯β'-位连有酯基时,能以中等的收率生成[4+3]环加成产物181,同时得到相应的[3+2]、[3+3]副产物. 在亲核性较弱的三环己基膦作用下,形成的1,3-内鎓盐会对另一分子联烯酸酯进攻,产生由两分子联烯酸酯和一分子叔膦构成的1,5-内鎓盐,其进攻甲亚胺,发生[5+3]环加成反应,最终以中等到较高的收率生成[3+2+3]环加成产物182和183(图 39).
图40 联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺的[5+3]环加成反应
Figure 40. [5+3] Annulations of allenoate 1 and azomethine imines
与此同时,马军安课题组[45]也探究了叔膦促进联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺的环加成反应. 联烯酸乙酯在当量强亲核性的三(二乙氨基)膦作用下,首先形成1,5-内鎓盐,然后与甲亚胺178发生[5+3]环加成反应,最终高非对映选择性地得到相应的环化产物184(图 40). 作者还通过理论计算的方法证明了1,5-内鎓盐的存在,并提出了合理的反应机理. 2014年,施敏课题组[73]又以二茂铁衍生的手性叔膦为催化剂,实现了δ-位连有取代基的联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺的不对称[3+2]环加成反应.
3.4 联烯酸酯与水杨醛亚胺环加成反应
图41 联烯酸酯与水杨醛硫代磷酰亚胺的环加成反应
Figure 41. Annulations of allenoates and salicyl N-thiophosphinylimines
水杨醛亚胺既有亲电性又有亲核性,因此其能与联烯酸酯发生不同类型的环加成反应. 2009年,黄有课题组报道了双官能团联苯叔膦186催化的水杨醛硫代磷酰亚胺185与联烯酸酯的[4+1]环加成反应,以65%～95%的收率和大于99/1的非对映选择性得到了一系列苯并二氢呋喃衍生物187[74]. 联烯酸酯只有γ-位碳原子参与环化. 随后,他们又以三苯基膦为催化剂实现了该亚胺与γ-位连有甲基取代的联烯酸酯121的[4+2]环加成反应,以78%～92%的收率制备了苯并二氢吡喃类化合物188[75]. 联烯酸酯的γ-位碳原子以及γ-位取代的甲基碳原子参与环化. 2010年,施敏教授[76]又用亲核性较强的三丁基膦作催化剂,实现了水杨醛硫代磷酰亚胺与不含取代基的联烯酸酯的[4+2]环加成反应,生成相应的苯并二氢吡喃衍生物189. 联烯酸酯的β-和γ-位碳原子参与环化(图 41). 随后,他们将底物的适用范围扩展到水杨醛,发现其仍能很好地适用于此反应,生成相应的苯并二氢吡喃类化合物.
4 亲核叔膦促进联烯酸酯与醛酮C=O键的环加成反应
4.1 联烯酸酯与醛C=O键[1+2]环加成反应
尽管醛类化合物具有与活化烯烃和亚胺相似的亲电活性,但其与联烯酸酯反应的类型却更加多样化. 2009年,贺峥杰课题组[77]报道了一例β'-位连有酯基或氰基的联烯酸酯93与芳香醛22的[1+2]环加成反应,以31%～99%的收率得到乙烯基环丙烷类化合物190(图 42). 由于三苯基膦在反应过程中被氧化成三苯基氧膦,因此该反应需要在当量的叔膦促进下完成.
图42 联烯酸酯与醛的[1+2]环加成反应
Figure 42. [1+2] Annulations of allenoates and aldehydes
4.2 联烯酸酯与醛酮C=O键[3+2]环加成反应
图44 联烯酸酯与三氟甲基芳基乙酮的[3+2]环加成反应机理
Figure 44. Mechanism of allenoate-ketone [3+2] annulation
图43 联烯酸酯与醛或酮的[3+2]环加成反应
Figure 43. [3+2] Annulations of allenoates and carbonyl compounds
与活化烯烃和亚胺不同,叔膦促进联烯酸酯与醛的[3+2]环加成反应直到2009年才被贺峥杰小组[78]所实现. 在三对氟苯基膦催化下,γ-位甲基取代的联烯酸酯16能与芳香醛22发生[3+2]环加成反应,生成四氢呋喃衍生物191. 由于酮羰基活性较低,普通的酮很难与联烯酸酯发生环加成反应. 叶松课题组[79]在2011年报道了联烯酸酯与三氟甲基芳基乙酮192的[3+2]环加成反应,以49%～99%的收率得到单一区域选择性的三取代二氢呋喃类化合物193,经简单还原可得四氢呋喃衍生物(图 43). 此外,他们还尝试用手性叔膦对该反应进行不对称催化,但效果并不理想. 可能的反应机理是,亲核叔膦进攻联烯酸酯sp杂化β-碳原子得到两性离子中间体,高度区域选择性地以γ-位碳负离子5对三氟甲基芳基乙酮进行亲核加成,生成中间体194,再经分子内Michael加成、质子迁移,得到环加成产物193,同时释放出叔膦催化剂完成一个催化循环(图 44).
4.3 联烯酸酯与醛C=O键[2+2+2]环加成反应
图45 联烯酸酯与醛的[2+2+2]环加成反应
Figure 45. [2+2+2] Annulations of allenoate 1 and aldehydes
Kwon小组[80]是较早研究叔膦催化联烯酸酯与醛环加成反应的课题组. 早在2005年,他们便发现在20 mol%的三甲基膦催化下,一分子联烯酸异丙酯能与两分子醛22发生[2+2+2]环加成反应,以较高的收率和立体选择性生成1,3-二氧六环衍生物195(图 45),通过酸化处理可方便制得δ-羟基-β-酮酸酯类化合物.
4.4 联烯酸酯与醛酮C=O键[4+2]环加成反应
图46 联烯酸酯与醛或酮的[4+2]环加成反应
Figure 46. [4+2] Annulations of allenoates and carbonyl compounds
叔膦体积大小可以影响反应的化学选择性. Kwon小组[81]在2005年又报道了一例联烯酸酯和醛的反应. 虽然底物几乎相同,但是用体积较大的三环己基膦作催化剂时可发生[4+2]环加成反应,得到吡喃酮衍生物197. 值得注意的是,脂肪族的正丁醛也适用于该反应,能以34%的收率生成6-正丙基-2-吡喃酮,该化合物具有中草药的香味,是一种良好的烟草制品添加剂. 由于环己基空间位阻较大,所以反应过程中形成的两性离子中间体容易以(E)-式构型稳定存在,并对醛羰基进攻生成最终的六元环产物. 随后,他们又报道了一例甲醇辅助叔膦催化联烯酸酯与醛的环加成反应. 在过量甲醇以及当量丁基锂存在下,三甲基膦能促进联烯酸甲酯与芳香醛22发生[4+2]环加成反应,以36%～83%的收率生成二取代的二氢吡喃酮类化合物198[82]. 通过实验结果发现,甲醇参与了该反应,影响了过渡态的稳定性,从而改变了反应结果,最终呈现出一种不同类型的[4+2]环加成反应. 2010年,叶松教授[83]实现了联烯酸酯与酮的[4+2]环加成反应. 在三苯基膦作用下,β'-位含有芳基取代的联烯酸酯93与三氟甲基芳基乙酮192可发生[4+2]环加成反应,以较高的收率和非对映选择性生成了二氢吡喃衍生物199,经简单还原可得四氢吡喃衍生物(图 46). 三氟甲基在反应中起到了至关重要的作用,若将其换成其它拉电子取代基(如氰基或酯基),反应不能顺利进行.
4.5 联烯酸酯与环庚三烯酮[8+2]环加成反应
图47 联烯酸酯与环庚三烯酮的[8+2]环加成反应
Figure 47. [8+2] Annulations of allenoates and tropone
联烯酸酯作为一种非常有用的合成子,可以在叔膦催化下与环庚三烯酮201发生[8+2]环加成反应,以70%～82%的收率生成二并环化合物202[84](图 47).
5 亲核叔膦促进联烯酸酯与亲核试剂的环加成反应
图50 联烯酸酯与亲核试剂的[4+1]环加成反应机理
Figure 50. Mechanism of allenoate-nucleophile [4+1] annulation
2010年,童晓峰课题组[86]设计了一类β'-位含有乙酰氧基取代的联烯酸酯205,在叔膦催化下同样可以与亲核试剂206发生环加成反应,生成了一系列环戊烯衍生物207(图 49). 联烯酸酯上容易离去的乙酰氧基对该反应的发生起着至关重要的作用,作者提出了如下的反应机理: 首先叔膦对联烯酸酯进攻得到的两性离子中间体208容易发生1,2-消除,离去乙酰氧基,生成亲电中间体209. 然后亲核的碳负离子210对其进攻,生成膦叶立德中间体211. 最后经过氢迁移、分子内Michael加成反应以及叔膦催化剂的离去,生成最终的[4+1]环加成产物207,重生的三苯基膦进入下一个催化循环(图 50). 当向反应中引入含有两个相邻亲核中心的亲核试剂时,可发生相应的[4+2]环加成反应.
图52 联烯酸酯与亲核试剂的不对称[4+1]环加成反应
Figure 52. Asymmetric [4+1] Annulations of allenoates and nucleophiles
叔膦进攻联烯酸酯生成的两性离子中间体作为一类良好的亲核试剂,能与多种亲电试剂发生不同类型的环加成反应. 但在特殊情况下,该两性离子中间体能转变成亲电试剂,与相应的亲核试剂发生环加成反应.
图51 联烯酸酯与亲核试剂的[4+4]和[3+2]环加成反应
Figure 51. [4+4] and [3+2] Annulations of allenoate 212 and nucleophiles
图48 联烯酸酯与亲核试剂的[2+3]环加成反应
Figure 48. [2+3] Annulations of allenoate 1 and nucleophiles
最近,童晓峰教授[87]又利用β'-位含有乙酰氧基取代的联烯酸酯与其它两类亲核试剂反应,高效构建了两种结构复杂的环状化合物. 以10 mol%三苯基膦作催化剂,碳酸铯作为碱,联烯酸酯212能与2-酰基-3-甲基丙烯腈类化合物213发生[4+4]环加成反应,以45%～88%的收率得到桥环化合物214. 当用20 mol%三苯基膦作催化剂,碳酸钠作为碱时,联烯酸酯212能与2-酰基-3-(2-吡咯基)丙烯腈类化合物215发生[3+2]环加成反应,以72%～95%的收率生成三并环化合物216(图 51). R和R1无论是脂肪基团还是芳香基团都能很好地适用于这两类反应. 此外,作者还用手性叔膦对反应进行了不对称催化尝试,也取得了非常好的效果.
手性叔膦促进的联烯酸酯与亲核试剂的不对称环加成反应直到2014年才被卢一新课题组[88]所实现. 在氨基酸衍生的手性叔膦催化剂218促进下,联烯酸酯212能与吡唑啉酮217发生[4+1]环加成反应,高收率、高对映选择性地合成了手性螺环类化合物219. 其中的一个产物经过简单还原及脱保护过程就可生成type-4 phosphodies-terase的抑制剂前体. 随后,Fu小组以联苯骨架衍生的手性叔膦为催化剂,成功实现了此类联烯酸酯与α-氰基酮的不对称[4+1]环加成反应,得到手性环戊烯衍生物[89]. 2015年,他们又用螺环手性叔膦222催化了γ-位连有取代基的联烯酸酯220与胺221的不对称[4+1]环加成反应,生成手性二氢吡咯衍生物223[90](图 52).
图49 联烯酸酯与亲核试剂的[4+1]环加成反应
Figure 49. [4+1] Annulations of allenoates and nucleophiles
2008年,陆熙炎教授[85]发现在叔膦促进联烯酸酯与活化烯烃的反应中,缺电子烯烃结构的微小改变,就可能导致化学反应性的显著变化. 他们将缺电子烯烃的β-位再引入一个亚甲基,并将这种β-位二取代的双氰基拉电子活化烯烃203引入陆氏反应,结果发生了特殊的[2+3]环加成反应,即缺电子烯烃上的亚甲基碳负离子首先作为亲核试剂,与联烯酸酯的β,γ-位碳碳双键进行亲核加成反应,然后再经过分子内Michael加成反应,生成最终的环戊烯衍生物204(图 48).
6 总结与展望
在今后的研究中,针对叔膦促进的联烯酸酯环加成反应,还要做到: (1)发展新的亲电试剂,建立新的反应类型,进一步拓展该类反应的应用范围. 尤其是普通的酮与联烯酸酯的环加成反应是一个值得深入研究的课题. (2)特定亲核试剂的引入,为联烯酸酯参与的环加成反应开辟了一个新的方向,但相关研究成果较少. 对该领域的进一步探索可能会成为今后的一个热点. (3)手性叔膦对联烯酸酯参与的催化不对称环加成反应虽然取得了很大的发展,但是还有极大的研究空间. 例如手性叔膦催化的联烯酸酯与醛或酮的不对称环加成反应至今未见报道. (4)更大限度地将叔膦促进的联烯酸酯环加成反应运用到天然产物和药物的合成中,提高此类反应的实用价值.
自陆氏反应问世以来,有关叔膦促进的联烯酸酯环加成反应引起了化学家极大的研究兴趣,并得到了很好的发展. 近二十年来,人们系统地研究了叔膦促进下联烯酸酯与各类亲电试剂或特定亲核试剂的环加成反应,并报道了大量具有重要合成意义的新反应,为官能团化的环状化合物(特别是五元环和六元环化合物)的高效合成提供了新方法. 特别是运用手性叔膦对联烯酸酯参与的不对称环加成反应的实现及快速发展,为一些天然产物及药物模块的全合成开辟了新途径. 研究发现联烯酸酯结构的不同以及叔膦催化剂空间体积和亲核性的不同,都能影响反应的化学选择性和区域选择性,从而呈现出多种类型的环加成反应,并生成多种碳环或杂环产物,极大地丰富了有机化合物库. 此外,该类反应还具有原子经济性高、环境污染小、试剂易于制备、操作简单、反应条件温和等优点,因此叔膦促进的联烯酸酯环加成反应必将受到更多关注,取得更大发展.
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图 1 联烯酸乙酯与丙烯酸乙酯的[3+2]环加成反应
Figure 1 [3+2] Annulation of allenoate 1 and ethyl acrylate 2
图 2 联烯酸乙酯与丙烯酸乙酯的[3+2]环加成反应机理
Figure 2 Mechanism of allenoate-acrylate [3+2] annulation
图 3 联烯酸甲酯与对甲苯磺酰亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 3 [3+2] Annulations of allenoate 1 and N-tosylimines
图 5 联烯酸酯与缺电子烯烃[3+2]环加成反应合成茅苍术醇
Figure 5 Allenoate-olefin [3+2] annulation in the synthesis of (-)- hinesol
图 6 联烯酸酯与缺电子烯烃[3+2]环加成反应制备L-谷氨酸类似物
Figure 6 Allenoate-olefin [3+2] annulations in the synthesis of L-glutamate analogues
图 7 叔膦催化联烯酸酯与芳香醛、丙二腈的三组分环加成反应
Figure 7 Phosphine-catalyzed one-pot synthesis of cyclopentenes
图 10 联烯酸酯与β-取代环外缺电子烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 10 [3+2] Annulations of allenoates and β-substituted exocyclic olefins
图 11 联烯酸酯与环内缺电子烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 11 [3+2] Annulations of allenoates and endocyclic olefins
图 12 手性膦54催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 12 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 54
图 13 手性膦57和61催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 13 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphines 57 or 61
图 14 手性膦64催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 14 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 64
图 15 手性膦66催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 15 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphine 66
图 16 手性膦75催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 16 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 75
图 17 手性膦78催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 17 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphine 78
图 18 手性膦85或89催化联烯酸酯与烯烃的[3+2]环加成反应
Figure 18 Asymmetric allenoate-olefin [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphines 85 or 89
图 19 联烯酸酯与双氰基拉电子活化烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 19 [4+2] Annulations of allenoate 91 and arylidenemalononitriles
图 20 联烯酸酯与3-甲酰基色酮的[4+2]环加成反应
Figure 20 [4+2] Annulations of allenoates and 3-formylchromones
图 21 γ-取代联烯酸酯与缺电子烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 21 [4+2] Annulations of γ-substituted allenoates and electron- deficient olefins
图 22 手性膦102催化联烯酸酯与双氰基拉电子烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 22 Asymmetric allenoate-olefin [4+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 102
图 23 手性膦106催化联烯酸酯与烯烃的[4+2]环加成反应
Figure 23 Asymmetric allenoate-olefin [4+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 106
图 24 联烯酸酯自聚反应生成五元、七元及九元环化合物
Figure 24 The formation of 1,n-zwitterions (n=5,7,and 9) of allenoate-P(NEt2)3 and the subsequent self-annulations
图 25 γ-取代联烯酸酯与共轭烯烃的Domino环加成反应
Figure 25 Domino annulations of γ-substituted allenoates and conjugated olefins
图 26 γ-位取代的联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 26 [3+2] Annulations of γ-substituted allenoates and aldimines
图 27 联烯酸酯与环状磺酰醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 27 [3+2] Annulations of allenoate 1 and cyclic sulfimides
图 28 联烯酸酯与环状磺酰酮亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 28 [3+2] Annulations of allenoates and cyclic ketimines
图 30 Marinetti报道的联烯酸酯与醛亚胺不对称[3+2]环加成反应
Figure 30 Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulations reported by Marinetti
图 31 手性膦149催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 31 Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 149
图 32 手性膦151催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 32 Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 151
图 33 手性膦154催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 33 Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulation under the catalysis of chiral phosphine 154
图 34 手性膦157和160催化联烯酸酯与醛亚胺的[3+2]环加成反应
Figure 34 Asymmetric allenoate-aldimine [3+2] annulations under the catalysis of chiral phosphine 157 or 160
图 35 联烯酸酯与磺酰醛亚胺[4+2]环加成反应合成吲哚类生物碱
Figure 35 Allenoate-aldimine [4+2] annulation in the synthesis of indole alkaloids
图 36 联烯膦酸酯与对甲苯磺酰亚胺的[4+2]环加成反应
Figure 36 [4+2] Annulations of allenylphosphonate 173 and N-tosylimines
图 37 联烯酸酯与环状磺酰酮亚胺的[4+2]环加成反应
Figure 37 [4+2] Annulations of allenoate 91 and cyclic ketimines
图 38 叔膦催化联烯酸酯与磺酰亚胺的不对称[4+2]环加成反应
Figure 38 Asymmetric allenoate-aldimine [4+2] annulations
图 40 联烯酸酯与偶氮甲碱亚胺的[5+3]环加成反应
Figure 40 [5+3] Annulations of allenoate 1 and azomethine imines
图 41 联烯酸酯与水杨醛硫代磷酰亚胺的环加成反应
Figure 41 Annulations of allenoates and salicyl N-thiophosphinylimines
图 43 联烯酸酯与醛或酮的[3+2]环加成反应
Figure 43 [3+2] Annulations of allenoates and carbonyl compounds
图 44 联烯酸酯与三氟甲基芳基乙酮的[3+2]环加成反应机理
Figure 44 Mechanism of allenoate-ketone [3+2] annulation
图 46 联烯酸酯与醛或酮的[4+2]环加成反应
Figure 46 [4+2] Annulations of allenoates and carbonyl compounds
图 50 联烯酸酯与亲核试剂的[4+1]环加成反应机理
Figure 50 Mechanism of allenoate-nucleophile [4+1] annulation
图 51 联烯酸酯与亲核试剂的[4+4]和[3+2]环加成反应
Figure 51 [4+4] and [3+2] Annulations of allenoate 212 and nucleophiles
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