双功能可见光催化剂直接调控电子激发态中间体的立体化学实现对映选择性Paternò-Büchi反应的研究

It has been a long time challenge to control the stereochemistry of the photoreactions in the asymmetric catalysis. A lot of asymmetric reactions driven by visible light have been developed. However, most of them are ‘secondary’ photoreactions, in which the light is used to generate the highly reactive intermediates and the enantio-control occurs from ground-state electronic configurations. It will not be favorable for the stereo control of the ‘primary’ photoreactions such as cycloaddition in which the bond-forming events arise directly from electronically excited intermediates. This project is endeavored to develop a bifunctional photocatalyst combined with both the photosensitizer and chiral catalyst. The catalyst will be composed of organic dye motif and peptide chain with histidine tag. Thus, it will enable the enantioselective Paternò-Büchi reaction by controlling the stereochemistry of electronically excited organic intermediates: the carbonyl compounds will be stationed to a specific conformation by the metal chelating, the hydrogen bonding induction from peptide chain and the π-π interaction with the photosensitizer. The energy transfer from the visible light photosensitizer to the carbonyl compounds will give excited state species which are confined and approach to a highly enantioselective PB reaction. This protocol will be able to generate an oxetane with up to three compact chiral centers by enantioselective PB reaction in a single step, which will enrich the asymmetric photochemistry.

光化学反应的立体选择性调控一直是不对称催化领域的挑战性难题。近年来发展的可见光驱动的不对称反应大都是次级光反应过程，即通过对基态的手性调控获得立体选择性，这不利于实现环加成反应等初级光化学过程的不对称控制。本项目拟发展一种兼具可见光催化和手性控制的双功能催化剂，同时包含可见光催化的有机光敏剂部分和手性控制的组氨酸结尾的肽链部分，可通过直接调控电子激发态的立体化学而实现对映选择性的Paternò-Büchi反应：当羰基底物和催化剂接近时，利用加入的金属离子, 和底物之间由配合作用、肽链的氢键诱导和π-π相互作用形成固定的构象，而光敏剂部分吸收可见光，通过能量转移而激发底物，由受限制的激发态而获得立体选择性PB反应。项目的顺利实施，将能够由PB反应一步构建最多3个紧凑的手性中心，促进不对称有机光化学的进一步发展。

我们按照项目研究计划，以异香豆素类化合物与二氯喹啉醌、萘醌类化合物为原料，在可见光驱动和三重态敏化剂的存在下进行了Paternò-Büchi（PB）反应。这一PB反应具有高化学选择性、区域选择性和非对映选择性，氧杂环丁烷产物的结构均有多种谱图表征, 部分产物的结构还经单晶X衍射测定了其绝对构型。我们还探索了在设计的双功能的手性可见光催化剂与Lewis酸介导下的不对称的PB反应，ee值达到了31%，目前我们仍在试图进一步提高对映选择性。以此为基础，我们还发现上述反应的氧杂环丁烷产物可以在Lewis酸和手性磷酸的介导下得到对映体富集的 [6,6]螺环内酯化合物，这是一种新奇的骨架结构，经过优化后ee值可达90%。此外，利用可见光驱动和手性Feng配体控制立体选择性，由四氯苯醌和2-羟基查尔酮进行了不对称PB反应，经过优化反应条件，氧杂环丁烷产物的ee值可以达到52%。这些反应都为更好的制备对映体富集的氧杂环丁烷及其衍生物打下了基础，我们期待这些结构新颖的化合物还能更进一步生物应用于生物领域。我们还进行了可见光诱导下的香豆素的选择性氯化反应、二溴萘醌与苯基呋喃的选择性[4+2]环加成反应与苯基卤代双吖丙啶与α，β不饱和酮的形式[4+1]反应制备呋喃等方面的研究。在本项目的支持下，迄今为止已经发表SCI论文5篇，尚有部分论文正在修改或者准备阶段；一共培养了研究生6人，本科毕业生10人。