多催化剂体系:烯烃的氢甲酰化/不对称烯丙基化串联反应
生物体内复杂分子的合成能够在同一反应器(细胞)内,在不同催化剂(酶)的作用下通过串联反应实现,具有非常高的效率。而在实验室及工业界,复杂分子的合成仍主要通过多步反应才能实现,每一步反应需要在时间和空间上单独进行,且多数情况下需要对每一步的产物进行分离、纯化,时间与材料的耗费较大,同时产生大量的废弃物。为了模拟生物体内的反应模式,科学家提出多催化剂接力催化体系(multi-catalyst relay catalysis, 图1)的概念,在一个反应体系中同时使用多种催化剂来实现多个反应的串联过程,其中每一步反应在同一反应器中同时且有序地进行,能够极大地提高合成的效率。实现这类反应的难点在于解决催化剂、中间体、反应条件等之间的兼容性问题。另一方面,一旦找到兼容性较好的催化剂体系,人们往往能发展一系列高效的合成方法,如金/手性布朗斯特酸体系、钯/手性胺催化体系等。
烯烃的氢甲酰化过程是工业上规模最大的均相催化体系之一,年产量超过一千万吨。过渡金属催化的不对称烯丙基化反应是有机化学中选择性构建碳-碳、碳-杂原子键最重要的方法之一。最近,中国科学技术大学的龚流柱教授、韩志勇副研究员团队通过多催化剂体系,实现了烯烃氢甲酰化/不对称烯丙基化串联反应,能够通过一步反应将烯烃、烯丙醇与合成气转化为ɑ-季碳手性醛类化合物。
反应所使用的混合催化剂包含两种金属(铑和钯)、两种相应的配体、一种手性磷酸和一种非手性胺,各个组分能够很好地兼容并高效实现整个转化过程,收率高达98%,对映选择性最高达到99%。可能的反应过程如下图所示:在非手性Pd(0)和手性磷酸的催化下,烯丙基醇转化为手性阴离子配位的烯丙基钯中间体III,非手性胺与烯烃氢甲酰化产生的ɑ-支链醛形成烯胺II。中间体II和III反应得到手性亚胺VI,进而水解得到手性ɑ-季碳醛3,同时释放出胺催化剂。在该反应体系中,由于醛的ɑ位在胺的存在下会发生消旋化,因此氢甲酰化过程只需使用外消旋的配体,而手性磷酸成为控制反应体系手性的唯一因素。
该课题组以简单易得的苯乙烯、烯丙醇和合成气为原料,在Pd(0)、Rh(I)、手性布朗斯特酸、非手性胺的联合催化下,实现了ɑ-季碳手性醛的高效合成。论文的第一作者是研究生孟婧。
该论文作者为:Jing Meng, Lian-Feng Fan, Zhi-Yong Han, Liu-Zhu Gong α-Quaternary Chiral Aldehydes from Styrenes, Allylic Alcohols, and Syngas via Multi-catalyst Relay Catalysis Chem, 2018, 4, 1047, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.03.010
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