新型双官能碘盐催化剂的设计合成及其在不对称绿色氧化反应中的应用

Catalytic systems based on iodide anion and peroxides have been established as an attractive, effective and green oxidation method. This method is applicable to a number of oxidation reactions, while the respective chiral iodide catalysts are rarely reported. This proposal aims to develop a number of bifunctional chiral quaternary ammonium iodide and phosphonium iodide catalysts derived from readily available chiral pool. Chiral ammonium (phosphonium) cations are known to mediate enantioselectivity via asymmetric counterion interactions. However, sophisticated chiral scaffolds with sterically bulky groups are often required to secure effective chiral induction. Here we propose to depose a second functional group into iodide salts, such as thiourea, sulfonamide, amide, to serve as hydrogen bond donors and interact with substrates. Such bifunctional catalysts are expected to effectively convey enantioselectivity in reaction processes in a cooperative manner. We will examine the effectiveness of these iodides in asymmetric oxidations including alpha-functionalization of carbonyls, dearomatization of phenol derivatives and difunctionalization of alkenes. Green oxidants such as aqueous hydrogen peroxide and TBHP will be studied.

近年来基于碘离子和过氧化物的催化体系已经发展成为一类高效理想的绿色氧化方法，并应用于不同类型的有机反应中。然而已知的手性碘盐催化剂却非常少，且局限于手性联萘骨架衍生的季铵盐。本项目拟利用廉价易得的手性骨架发展几类新型双官能不对称季铵碘盐和季鏻碘盐催化剂。虽然手性季胺（鏻）阳离子可通过与底物分子形成不对称离子对传递手性信息，但往往需要复杂的手性骨架和位阻基团才能获得具有较高对映选择性的产物。我们提出在催化剂中引入额外的质子酸官能团，例如硫脲、酰胺等，期望与底物分子发生氢键作用，从而以双官能的策略协同有效地控制反应过程的立体选择性。我们计划将新发展的催化剂用于羰基的alpha-碳氢键官能化、酚类化合物的去芳构化和烯烃的双官能化等不对称氧化反应中，并探索双氧水、过氧叔丁醇水溶液等绿色氧化剂的效果。

碘是一种含有丰富价态的非金属重元素，其高价态衍生物有多样性的结构和反应活性，作为高效的氧化剂和绿色的催化剂被用于不同类型的共价键形成反应。在项目研究开始之初，双功能碘盐催化剂尤其是手性碘盐鲜有报道，碘盐催化在复杂生物活性分子的合成应用还有待发展。通过本项目研究，我们发展了以下基于碘的绿色催化反应体系：1）发展了一类基于金鸡纳碱/氨基酸等天然手性源的双功能季铵（鏻）碘盐催化剂，首次实现了羰基alfa-位的不对称胺化反应，构建了手性裸环氧化吲哚产物；2）发展了基于两亲型碘盐表面活性剂的可循环利用纳米反应器，实现了水相中C-O和C-N高效偶联反应；3）发展了TBAI/TBHP体系催化色胺的C3a过氧氧化环化，开发了一类吡咯并假吲哚抗癌活性分子。4）探究了高价碘在水相中介导金属氮宾转移胺化的效率，成功实现了水相中惰性碳氢键胺化反应和烯烃的羟胺化反应，分别制备了重要的脂肪胺和氨基醇类化合物。.此外，基于项目绿色催化氧化的设计理念，我们还开展了苯酚及其衍生物的仿生催化氧化反应研究，成功实现了一系列吲哚啉分子的高选择性催化氧化合成：一是(salen)Mn和手性磷酸接力催化酚和吲哚的氧化[3+2]环化；二是FeCl3/CDDQ体系催化苯胺/烯烃的氧化[3+2]反应。通过本项目研究，在国际著名期刊上发表标注基金号的SCI论文8篇，其中ACS Catal 1篇，Green Chem 2篇，Org Lett 2篇，Chem Comm 1篇，达到了项目预期的目标要求。以上研究发展的催化反应新方法合成了结构多样性的含氮杂环衍生物，有望对小分子药物的构效关系研究和先导化合物的发展提供理论和实践基础。