近年来通过氢键活化促进的不对称有机催化引起催化合成化学家的广泛兴趣, 而结构中含有(硫)脲基团的有机催化剂可通过其结构中N—H双氢键给体与多种反应试剂形成双氢键从而实现良好的催化活性及手性控制[1]. 1998年Jacobsen等[2]报道了系列氨基酸酰基席夫碱手性硫脲催化剂及其不对称催化的开创性工作. 2003年Takemoto等[3]在硫脲催化剂中引入叔胺基团, 并首次提出了单分子双活化概念:催化剂分子中同时存在氢键给体和具有手性骨架Lewis碱基团两个活性位点, 两者分别激活反应底物中的亲电试剂与亲核试剂, 其协同作用对反应的收率和对映选择性有很重要的影响.随后, 众多研究小组陆续报道了含有各类手性骨架结构碱基活化基(如手性二苯基乙二胺、吡咯烷仲胺、金鸡纳碱叔胺、联萘胺等)的双功能(硫)脲催化剂, 并将之应用于一系列不对称催化反应中.从而, 双功能(硫)脲催化成为目前不对称有机催化研究中最为活跃的领域之一[4].
双功能(硫)脲催化剂结构由三部分构成: (硫)脲、(硫)脲一侧的亲核活化基以及(硫)脲另一侧的对催化反应起辅助调控作用的基团(我们称之为辅助基)(图 1).大量研究结果表明亲核活化基在(硫)脲催化剂不对称催化中具有至关重要的主导作用, 已有较多非常出色的综述文献从这个角度对双功能(硫)脲催化进行介绍的, 例如, 从叔胺-(硫)脲[5a, 5b]、伯胺-(硫)脲[5c, 5d]、仲胺(硫)脲[5d]等亲核活化基进行分类, 然后依据催化反应类型进行分类介绍的综述, 以及从氢键-阴离子识别角度[5e]进行介绍的综述.此外, 催化剂结构中微小的改变往往会引起催化活性或对映选择性的显著变化, 在选定合适亲核活化基之后, 进一步合理设计辅助基的骨架结构可调控与优化双功能(硫)脲催化剂的物理化学性质与催化性能, 得到具有更好催化作用的催化剂, 也逐渐成为该类催化剂研究与应用的一个重要方向, 受到不对称催化领域的广泛关注.近年来这一方面研究也有一些出色综述报道, Wang等[6a, 6b]对具有氢键给体基团辅助基的双功能胺-硫脲进行了综述, Rivera和Paixão等[6c]对具有萜烯辅助基双功能(硫)脲催化剂进行了综述.然而, 尚缺少基于辅助基的双功能(硫)脲催化剂的全面综述.
针对近年来具有合适亲核活化基的双功能(硫)脲催化剂中辅助基对催化性能的影响, 本文分别从非手性辅助基与手性辅助基来构建新型双功能(硫)脲催化剂及其不对称有机催化应用进行论述, 对利用辅助基策略构建双功能(硫)脲催化剂进行系统介绍.
芳香基团作为辅助基为双功能(硫)脲催化剂构建的一个常用方法.其中, 3, 5-二(三氟甲基)苯基被认定为(硫)脲催化剂辅助基的优势基团, 被广泛应用于各类(硫)脲双功能催化剂1a与1b, 应用于催化系列不对称反应(图 2). 3, 5-二(三氟甲基)苯基的吸电子效应可以降低(硫)脲中N—H键的pKa值, 增加N—H键活化亲核试剂能力.此外研究表明该基团临位碳氢键也参与活化亲核试剂[7].由于3, 5-二(三氟甲基)苯基作为辅助基在其他综述中已经进行了详尽的介绍, 在此仅作简单介绍, 本综述将重点介绍其他辅助基的设计及应用.
Gong等[8]将系列双功能(硫)脲催化剂应用于Nazarov试剂与亚甲基吲哚酮之间通过连续的双Michael反应产生的有机催化的不对称[4+2]环加成反应来构建螺环[4-环己酮-1, 3′-氧化吲哚]衍生物, 其中对硝基苯基为辅助基的叔胺-脲催化剂2具有最优的催化性能, 其收率可达98%, 对映选择性可达98% ee, 立体选择性可达99:1 (Eq. 1).
Wu等[9]利用苯甲基作为辅助基与(R, R)-1, 2-二苯基乙二胺构建的伯胺-硫脲催化剂3, 并将其应用于芳基甲酮与芳基硝基二烯间的不对称Michael反应, 30 mol%催化剂、室温条件下反应4 d, 得到良好的收率(55%~83%)和优秀的对映选择性(94%~98%ee)(Eq. 2).
Ban和Li等[10]将易得的和强吸电子效应的苯甲酰基和对甲基苯磺酰基作为辅助基构建了苯甲酰硫脲-吡咯烷与对甲基苯磺酰脲-吡咯烷催化剂4a与4b, 将之应用于酮和芳香族β-硝基烯烃间的Michael反应, 在温和条件下得到中等到良好的收率和高的对映选择性(可达99% ee)与高的立体选择性(可达99:1 dr) (图 3).
Li等[11]报道了吡啶环、异喹啉以及1H-苯并咪唑环等含芳香基叔胺为辅助基的伯胺-硫脲有机催化剂5a~5e(图 4), 并将之应用于丙酮与β-硝基苯乙烯的Michael反应中, 获得了较好的催化性能.此外, 文献[11]中还报道了9-芴基作为提供空间位阻的辅助基的伯胺-硫脲催化剂5e(图 4), 并将其应用于酮与芳香硝基烯烃的不对称Michael反应, 得到优异的收率和光学对应选择性.
催化剂的循环使用性能是催化剂实际应用中需要考虑的一个重要方面. Cui等[12]利用聚氯乙烯树脂-四乙基五胺复合物为辅助基构建聚氯乙烯-四乙基五胺复合物为辅助基的四氢吡咯烷-硫脲双功能催化剂6a, 催化水介质中环己酮与芳香醛之间的直接aldol反应, 可循环使用三次.同年, 他们[13]还报道了由菲尔德树脂利用相同方法构建四氢吡咯烷-硫脲双功能催化剂6b, 并将其应用于环己酮与芳香醛之间的不对称; 在室温较低的催化剂负荷(2 mol%)条件下, 该催化剂具有较高的催化活性、立体选择性和对映选择性, 催化剂可被重复使用至少四次, 其对映选择性保持不变, 收率略有降低(图 5).
Miura等[14]利用对辛氟烷苯基为辅助基构建可循环使用的氟代手性伯胺-硫脲双功能催化剂6c(图 5), 并将其应用于醛与马来酰亚胺间的不对称Michael反应, 得到了高的收率(可达99%)和光学对应选择性(可达>99% ee), 并且催化剂作为不溶解沉淀物可过滤再循环使用.
Portnoy等[15]通过L-氨基酸和羟基树脂-王树脂载体一起构建短链酯基空间的辅助基, 尝试发展可循环使用的基于(1R, 2R)-1, 2-二苯基乙二胺的手性伯胺-脲双功能催化剂6d(图 5), 并将其应用于醛与酮和硝基烯之间的不对称Michael反应.通过这个设计, 可以实现协同作用增强反应的立体选择性.在循环使用试验中, 尽管反应的选择性可以很好地保持, 但其催化活性迅速降低.
由于不对称催化反应中对映异构体选择性反应的活化能差异很小, 催化剂结构中微小的改变往往会引起催化活性或对映选择性的显著变化, 手性结构辅助基的引入成为双功能(硫)脲催化剂设计的一个重要考虑对象.
芳香族手性辅助基是用来构建双功能(硫)脲催化剂的一个重要方向. Tsogoeva等[16]利用手性苯乙基与萘乙基作为辅助基构建了系列仲胺-硫脲催化剂7a, 7b与伯胺-硫脲催化剂7c~7e, 催化剂7a~7e被应用于脂肪酮和芳香族β-硝基烯烃间的不对称Michael反应, 其中(S, S, R)-7d取得最优的催化效果:收率82%~99%, 对映选择性90%~99% ee, 立体选择性高达83:17 (Eq. 3).
Xu等[17]报道了利用基于手性苯乙基辅助基的伯胺-硫脲催化剂8催化硝基烯烃与2-氨基苯甲醛类化合物间不对称氮杂-Michael-Henry多米诺反应, 生成3-硝基1, 2-二氢喹啉类化合物(Eq. 4).获得很好的结果: 37%~70%的收率和52%~90% ee的对映选择性.
Trivedi等[18]将具有芳香性、疏水性和刚性的二茂铁作为辅助基构建了包含金鸡纳碱的双功能叔胺-硫脲或叔胺-方酰胺催化剂9a~9d, 将其成功应用于1, 3-二羰基化合物与芳香族β-硝基烯烃间的不对称Michael反应中(Eq. 5).室温条件下, 利用1 mol%催化剂9b得到优秀的收率(可达95%)、高的对映选择性(可达99% ee)与优异的立体选择性(可达99:1 dr), 与苄基辅助基催化剂相比, 具有二茂铁辅助基的催化剂可获得更好的收率和对映选择性.
Sirit等[19]利用杯芳烃骨架结构为辅助基构建伯胺-硫脲有机催化剂10, 并将其应用于异丁醛与马来酰亚胺的不对称Michael反应得到取代琥珀酰亚胺. 10 mol%催化剂和室温条件下可以适用于较多的底物结构, 可获得高达99%的收率和高达98%的对映选择性.催化剂10a与10b可分别控制得到R与S构型的两种对映异构体产物(Scheme 1).
Jacobsen等[20]报道了氨基酸酰基为辅助基的手性伯胺-硫脲催化剂11, 可以在氨基酸侧链及酰基中调整官能团的位阻等因素, 用于催化α, α-二取代醛和硝基烯间的不对称Michael反应, 得到优秀的收率(可达100%)、高的对映选择性(可达99% ee)和优异的立体选择性(可达50:1 dr).与具有叔酰胺的催化剂相比, 具有仲酰胺的催化剂可以获得更高的底物转化率和产品收率, 而缺乏酰胺结构的衍生物11c则几乎没有催化活性.环己二胺衍生的催化剂11a被证明具有更广泛的适用性, 被选定为进一步优化的对象; 而二苯基乙二胺催化剂11b, 在随后反应中被发现只有涉及2-苯丙醛时, 才具有最佳催化效果(Eq. 6).
Jacobsen等[21]还报道了由氨基酸衍生的酰胺为辅助基的手性伯胺-硫脲催化剂12, 通过其催化烯酮与环状亚胺之间的正常电子需求的氮杂Diels-Alder反应, 开发了一种高对映选择性与立体选择性合成吲哚喹嗪及苯并喹嗪衍生物方法(Eq. 7), 得到高的收率(50%~>99%)和高的对映选择性(92%~99% ee).
Kokotos等[22]报道了以具有位阻效应的天然氨基酸叔丁酯为辅助基构建了基于(1S, 2S)-二苯基乙二胺的伯胺-硫脲催化剂13, 将其用于催化丙酮及芳香乙酮与硝基烯烃类化合物的不对称Michael反应, 取得了令人满意的结果.基于二叔丁基天冬氨酸酯的催化剂13a和基于O-叔丁基苏氨酸叔丁基酯的催化剂13b在催化丙酮和4-硝基苯乙烯给出了定量收率和高对映选择性(87%~91% ee)的反应产物(图 6).在辅助基中合适位置引入大位阻官能团, 可以对双功能(硫)脲催化剂的催化性能进行优化.
糖类结构也是双功能(硫)脲催化剂辅助单元构建的一个重要研究领域. 2007年, Ma等[23]将吡喃葡萄糖、麦芽糖与乳糖的衍生物作为糖基辅助基发展了基于1, 2-环己烷二胺的伯胺-硫脲催化剂14a~14c(图 7), 并将其应用于芳乙酮和硝基烯烃间的不对称Michael反应, 得到优异的收率(可达99%)与对映选择性(可达98% ee).
Zhou等[24]将含有手性吡喃葡萄糖骨架结构的仲胺-硫脲类催化剂15a(图 8)用于催化环己酮和丙酮与硝基烯烃类化合物的不对称Michael反应, 得到优异的非对映选择性(可达>99/1 dr)与对映选择性(可达97% ee). Shao等[25]将以吡喃葡萄糖作为辅助基构建的非环氨基酸衍生的叔胺-硫脲催化剂15b(图 8)应用于乙酰丙酮与硝基烯烃间的双立体选择性控制不对称Michael反应.
Wang和Zhou等[26]首次报道了具有吡喃葡萄糖基辅助基和(R, R)-1, 2-二苯基乙二胺的伯胺-硫脲的催化剂16, 并将其用于催化分子内不对称Michael反应, 发展了反式-苯并二氢呋喃衍生物的具有优异收率(可达>99%)、对映选择性(可达>99% ee)和顺反异构选择性(可达98/2 trans/cis)的合成方法(Eq. 8).
Wang等[27]报道了含有松香胺骨架结构的伯胺-硫脲催化剂17a~17c(图 9).催化剂对苯乙酮衍生物和硝基烯烃衍生物的Michael反应进行双立体控制, 并得到构型相反的目标产物:用催化剂17a得到S构型的目标产物; 用催化剂17b得到R构型的目标产物.而且得到的目标产物都具有优异的对映选择性(98%~>99% ee), 当使用0.5~1 mol%催化剂时, 产物的对映选择性没有影响的, 反应收率有所降低(Eq. 9).
Wang等[28]以手性松香胺骨架结构为辅助基, 引入手性可调的大位阻刚性结构基团构建叔胺-硫脲双功能催化剂17c, 通过催化不对称aldol反应第一次以独特的不对称构建螺环的方式合成了具有高光学纯度的手性螺环结构植物抗毒素的类似物, 得到的目标产物具有优异的对映选择性(可达>99% ee)和非对映选择性(可达>99:1 dr)(Eq. 10).
Liang和Ye等[29]报道了由天然生物碱金鸡纳碱衍生的手性叔胺为辅助基构建的伯胺-硫脲催化剂18, 并将其用于催化硝基烷烃与环状、非环状的α, β-不饱和烯酮类化合物的不对称Michael反应(Eq. 11).在环烯酮和硝基烷烃的反应中, 得到高达92%的收率和80%~98%的ee值; 在直链烯酮和硝基烷烃的反应中, 收率可以高达98%, 但ee值则有所降低73%~86%.
Barbas等[30]报道了利用由金鸡纳碱衍生的手性叔胺为辅助基构建基于轴手性联萘二胺的手性伯胺-硫脲催化剂19, 将其应用于催化3-取代吲哚酮和亚甲基吲哚啉酮间多米诺Michael-aldol反应, 可一步得到含有四个手性中心和多个季炭中心的双螺环吲哚化合物, 收率高, 对映选择性优良(Eq. 12).
利用异甜菊醇优良的手性骨架结构作为辅助基, 通过合理设计在其16-位和4-位可方便引入双活化基构建双功能硫脲催化剂, 是催化剂设计与发展的另外一个热点. Tao和Tang等[31]利用具有两亲活性的手性异甜菊醇骨架结构作为大位阻辅助基, 在其16-位连接硫脲发展了基于1, 2-环己烷二胺的伯胺-硫脲催化剂20a~20e(图 10), 将其应用于水及有机溶剂中催化异丁醛与硝基烯烃的不对称Michael反应, 获得良好的结果. Tao等[32]还报道了以4-位异甜菊醇骨架结构构建的基于1, 2-环己烷二胺的硫脲-伯胺催化剂21a与21b, 将其应用于醛与马来酰亚胺的双对映选择性控制不对称Michael反应, 得到取代琥珀酰亚胺. 1 mol%催化剂21a与21b在室温条件下可分别获得两种对映异构体产物, 具有高达98%的收率和高达99%的对映选择性(Scheme 2).
Chen等[33]报道了以手性樟脑骨架结构为辅助基与硫脲和手性仲胺活化基构建的双功能硫脲催化剂22, 其手性刚性双环樟脑支架在催化剂中具有双重作用:选择性控制与疏水底物.催化剂被成功应用于催化水介质中环己酮与不同醛的不对称aldol反应, 得到优异的收率、对映选择性和非对映选择性(Eq. 13).
在辅助基中引入氢键给体手性辅助基, 构建具有多氢键给体且结构精细可调的特点的催化剂, 成为双功能硫脲催化剂设计的一个重要方法[6a, 6b]. Wang等[34]基于“多氢键给体协同催化”策略设计合成了辅助基中具有磺酰胺基氢键给体的手性叔胺-硫脲催化剂23, 并将其应用于N-Boc保护的醛亚胺和与硝基烃之间的anti-选择性不对称Nitro-Mannich反应, 得到了高的收率和光学对应选择性(Eq. 14); Wang等[35]还报道了将羟基或磺酰胺基氢键给体型辅助基叔胺-硫脲催化剂应用于催化二酮与硝基烯之间不对称Michael反应.
Smith等[36]报道了一类新的硫脲催化剂, 作者从天然的酶和蛋白质之间积极的协同作用出发, 设计出了含有氢键与位阻双因素协同作用的辅助基, 构建了具有β-转角结构的高效叔胺-硫脲催化剂, 并将其用于催化N-Boc保护的醛亚胺和烯醇硅醚之间的不对称Mukaiyama-Mannich反应.在0.1 mol%的催化剂量可以得到很好的催化性能, 在1 mol%的催化剂量其收率可达96%, 对映选择性大于99% ee.与没有氢键协同作用的催化剂24b相比, 非共价氢键协同作用产生β-转角结构的催化剂24a在催化反应中具有更高的催化性能(Eq. 15).
Shi等[37]发展了辅助基中具有羟基氢键给体的轴手性联萘叔膦-硫脲催化剂25a~25e, 并将其应用于Morita-Baylis-Hillman (MBH)碳酸酯与二苯基亚膦酸酯和二苯基膦氧化物的不对称烯丙基取代反应, 其中, 25e具有最好的催化效果, 得到高对映选择性高收率的手性烯丙基亚膦酸酯以及膦氧化物(Scheme 3).可能是由于辅助基中具有较强的氢键给予能力的酚羟基以及与S-联萘基膦手性匹配性较好手性结构两种因素协同作用的结果.
在双功能硫脲催化剂分子设计中, 辅助基的引入及其在不对称有机催化中的作用成为我们关注的中心.从非手性辅助基与手性辅助基角度综述了双功能(硫)脲催化剂的设计与构建以及这些催化剂在系列不对称有机催化研究中的应用.阐述了辅助基结构中位阻、手性环境、电子效应、氢键给体等因素对催化反应的类型、底物适用范围、转化率、选择性以及可循环使用性能的影响.通过设计更加合理的功能型辅助基, 在辅助基中引入合适的可调控因素, 按照需求构建新型双功能硫脲催化剂, 成为目前利用辅助基构建双功能(硫)脲催化剂的一个重要方向.从辅助基的设计角度, 总结了以新型高效辅助基构建双功能(硫)脲催化剂的途径, 有利于加深对(硫)脲催化剂的催化机理的认识, 同时为进一步合理设计辅助基的骨架结构、调控与优化(硫)脲催化剂的结构、开发新型(硫)脲催化剂提供经验.