本文作者:石油醚
吴杰:新加坡国立大学 (National University of Singapore)助理教授
课题组主页:https://www.wujiegroupnus.com/
2002-2006 北京师范大学,化学系,学士
2006-2012 Boston大学,化学系,博士(Prof. J. S. Panek);
2012-2015 MIT (Massachusetts Institute of Technology),博士后(Prof. T. F. Jamison and T. A. Hatton);
2015-2015 Snapdragon Chemistry, Inc. Boston, Senior research scientist
2015-至今 新加坡国立大学,助理教授
The Distinguished Lectureship Award, The CSJ Asian International Symposium,
The Chemical Society of Japan, 2020
Thieme Chemistry Journal Award, 2019
Young Chemist Award, Department of Chemistry, 2018
Asian Core Program Lectureship Award, 2017-2019
4th Green & Sustainable Manufacturing Award, The GSK-Singapore Partnership, 2017
Skol Tech Postdoctoral Fellow, Massachusetts Institute of Technology, 2013-2014
吴杰教授小组目前主要从事两方面的研究,均基于流动合成技术。主要涉及:1)采用微流管反应器 (micro-tubing reactor)以及开发新的反应器模式,进而实现在常规反应釜内较难实现的反应,例如,涉及一系列不同气体参与的反应以及光照条件下的反应等;2) 采用流动技术实现合成的自动化,进而实现有机分子的3D打印。
1)停流微型管(SFMT)反应器的开发
尽管连续流动反应器对于工业反应过程十分有效,然而,将其应用于反应开发或优化时,则存在较大的局限性:(1) 连续流动合成技术 (continuous-flow technology)对于反应试剂、催化剂以及溶剂等反应参数的筛选较为困难;(2) 每一次实验中,仅能够完成一次反应条件的筛选。因此,对于平行反应的条件筛选较为耗时;(3) 由于反应管路的容积限制,因此,停留时间 (residence time)不宜过长。为解决上述连续流动反应器中存在的局限性,吴杰教授小组开发出一种采用微型管路反应器进行反应筛选的理想的平台,并定义为:“停流”微型管路反应器[1]-[2] (“Stop-Flow”Micro-Tubing reactor, SFMT 反应器) (Fig. 1与Fig. 2)。SFMT 反应器巧妙地将连续流动反应器与传统的间歇式反应器 (batch reactor)有效结合,进而成功解决两种反应器中存在的局限性,并且该反应器已经成功应用于涉及气体参与的相关反应以及光媒介反应的筛选[3]-[6]。
Fig. 1 停流微型管(SFMT)反应管
Fig. 2 SFMT反应器的操作系统
SFMT反应器的视频
2)光媒介促进的采用天然气原料进行的精细化学品合成
天然气体原料 (natural gas feedstock),例如二氧化碳,乙炔,乙烯以及乙烷等具有廉价易得、清洁环保、无毒等优势,是十分理想的化工原料。采用天然气原料合成高附加值的化学品一直备受关注,并且,符合国家“碳中合”的长期目标。目前,现有的天然气原料的催化转化方法,则存在反应条件苛刻、实验设备昂贵、操作复杂等弊端,在精细化学品开发中的应用研究仍具有较大的挑战性,尤其对于涉及高压以及光媒介促进的转化过程。自2017年以来,吴杰教授小组成功开发出一系列全新的合成转化方法学,能够在可见光条件下采用SFMT或连续流反应器,将廉价易得的气态原料直接转化为一系列具有高附加值的精细化学品 (fine chemicals) (Fig. 3)。吴杰教授发展的相关合成转化方法学主要涉及:(i) 采用乙炔气体对芳卤进行的乙烯基化反应[1],(ii) 通过可见光驱动的炔基化合物与二氧化碳[7]-[8]之间的氢羧化 (hydrocarboxylation)与碳羧化 (carbocarboxylation)反应方法学,并将其进一步应用于药学研究中较为重要的杂环分子,例如香豆素,喹诺酮等的构建;(iii) 光媒介促进的脂肪族C-H官能团化反应方法学[3];(iv) 在无金属试剂存在的条件下,选择可见光媒介,采用二氧化碳以及带有Si-H与C(Sp3)-H键的原料,进行的一系列烯基化合物的双官能团化反应方法学[8];(v) 光媒介促进的烷烃与缺电子烯基化合物之间的官能团化反应方法学[5]。
Fig. 3 光媒介促进的采用天然气原料的精细化学品合成
3)光媒介促进的C-H与Si-H官能团化
自上世纪70年代以来,C-H的直接转化一直备受关注。由于C-H的直接官能团化方法学不仅符合绿色与可持续合成的设计理念,并且,C-H键广泛存在于一系列不同类型的有机分子中。目前,化学家的相关研究工作主要关注于C(sp2)-H键的活化,进而开发出一系列构建有机分子的全新方法。然而,对于C(sp3)-H键的活化的研究,则较少有文献报道。这里,吴杰教授小组发现,中性曙红Y (neutral eosin Y)[9]-[11]在可见光条件下活化之后,能够作为理想的HAT (hydrogen atom transfer)光催化剂[12],进而顺利参与一系列C-H[12]-[15]与Si-H键的官能团化。同时,由于这一反应策略中无需外加金属试剂,并且中性曙红Y具有廉价易得以及优良的催化效率等优势,因而,在光催化条件下,采用中性曙红Y促进的C-H与Si-H官能团化方法学,已经成为实验操作最为方便,并符合绿色化学要求的一种全新的反应策略。
Fig. 4 光媒介的C-H与Si-H官能团化
NUS吴杰课题组Nat. Chem.:连续流合成与固相合成相结合实现小分子药物的自动化合成与衍生
本文来自Chem-Station日文版 谷野 圭持 Keiji Tanino khaki
翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu
谷野圭持 (たにのけいじ),日本有机化学家。现为北海道大学理学研究院化学系教授。
1981年3月 神奈川县立横浜緑ヶ丘高中 毕业
1985年3月 东京工业大学 理学院 毕业
1987年3月 取得东京工业大学理工学研究科硕士学位
1989年5月 东京工业大学 博士课程退学
1989年6月 东京工业大学 理学院 助手(桑嶋 功教授)
1994年 6月 取得东京工业大学理学博士学位
1998年11月 北海道大学理学研究科 助手(宫下 正昭 教授)
1999年 8月 北海道大学 理学研究科 助教授
2006年4月 北海道大学理学研究院 教授
2000年 有机合成化学奖励奖
2007年 Mukaiyama Award(有机合成化学协会)
2011年 名古屋银奖
2013年 日本化学会 学术奖
2013年 北海道大学研究院长奖
使用有机金属,过渡金属络合物的反应开发和天然化合物物的全合成
一些天然化合物除了具有独一无二的结构外,从自然界中提取难度也非常大,这就导致了很多药理学研究和构造活性相关研究迟迟不能开展。谷野圭持教授基本已经提出了这些天然化合物的全合成有机方法论。
Norzoanthamine是从菟海葵珊瑚目中分离的一种化合物,其拥有多个连续的手性碳原子和多个稠环骨架。其作用机制独特,有望成为新一代治疗骨质疏松的领军药物。
Solanoeclepin A是从马铃薯的水培养液中分离得到的,其中,6元环与5元环的稠和骨架上有个4元环,此外还具有一个高度氧化的7元环。Solanoeclepin A有望成为能彻底解决对农业有严重影响的马铃薯球胞囊线虫的化合物。
Palau’amine是一种海洋生物碱,其分子拥有多个手性,其反式稠环的环戊烷上有许多反应活性高的官能团。谷野圭持教授组已经发表了两篇关于Palau’amine的全合成的论文。
Brasillicardin是从放射性病原体Nocardia brasiliensis的培养液中分离得到的,其关键结构是氨基酸和糖以Anti-syn-anti的方式结合到三环二萜上。它与现在市面上的药物有着不同的作用机制,极有可能拥有免疫抑制作用,有望应用到医药品领域。
1. Miyashita, M.; Sasaki, M.; Hattori, I.; Sakai, M. Tanino, K. Science 2004, 305, 495-499. DOI: 10.1126/science.1098851
2. Tanino, K.; Takahashi, M.; Tomata, Y.; Tokura, H.; Uehara, T.; Narabu, T.; Miyashita, M. Nat. Chem. 2011, 3, 484-488. DOI: 10.1038/nchem.1044
3. (a)Namba, K.; Takeuchi, K.; Kaihara, Y.; Oda, M.; Nakayama A.; Nakayama, A.; Yoshida, M.; Tanino, K. Nat. Commun. 2015, 6 Article number: 8731. DOI: 10.1038/ncomms9731 (b) Namba, K.; Kaihara Y.; Yamamoto, H.; Imagawa, H.; Tanino, K.; Williams, R. W.; Nishizawa, M. Chem. Eur. J. 2009, 15-6560-6563. DOI: 10.1002/chem.200900622
4. Yoshimura, F.; Itoh, R.; Torizuka, K.; Mori, G.; Tanino, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 17161-17167. DOI: 10.1002/ange.201811403
本文作者:石油醚
石枫:江苏师范大学教授,有机化学家,江苏师范大学化学与材料科学学院副院长。课题组主页:https://www.x-mol.com/groups/Shi_Feng
吲哚类手性杂环化合物是一类重要的杂环化合物,广泛存在于许多药物、功能材料、手性催化剂和配体中。因此,基于吲哚的手性杂环的催化不对称合成引起了科学界的极大兴趣。石枫教授课题组设计并开发以乙烯基吲哚,吲哚基甲醇,芳基吲哚和吲哚衍生物作为通用平台分子并基于平台分子完成了一系列有机催化的不对称环加成,环化,加成和脱芳构化反应。目前,使用多功能分子与不对称催化相结合的策略,石枫教师小组已经以高效和优异的对映选择性合成了多种基于吲哚的手性杂环,包括五元至七元杂环1,轴向手性杂环和四取代的杂环。
1. 设计并开发新型吲哚烯及其参与的催化不对称反应合成手性杂环化合物
石枫教授小组3-甲基-2-乙烯基吲哚类化合物和3-甲基-7-乙烯基吲哚类化合物作为通用平台分子,使用不对称的[4+2]、[3+2]环加成策略来构建吲哚类手性杂环骨架2-7。
图 1 新型吲哚烯及其参与的催化不对称反应
2. 设计并开发新型吲哚醇及其参与的催化不对称反应合成手性杂环化合物
由于吲哚具有独特性质以及吲哚类轴手性杂芳环骨架在催化剂、配体和生物活性分子开发等领域的重要性,该类轴手性骨架的催化不对称构建近年来受到化学工作者的强烈关注,已经成为一个新兴的研究领域。石枫教授小组设计2-吲哚醇8、3-吲哚醇9,10以及其他吲哚醇等平台分子(图2-4),使用不对称的[4+2]、[3+2]、[3+3] 、Nazarov环加成、配体控制的偶联反应、消旋萘吲哚衍生物参与的动态动力学转化反应等来构建手性吲哚类杂环以及吲哚类轴手性杂芳环骨架化合物。
图 2 3-吲哚醇及其参与的催化不对称反应
图 3 2-吲哚醇及其参与的催化不对称反应
图 4 其他吲哚醇及其参与的催化不对称反应
3. 开发含氮1,3-偶极子参与的催化不对称环化反应合成手性杂环化合物
氮杂内酯(Azlactones)由于具有多个反应位点是机合成中的一类重要反应物。石枫教授课题组利用手性磷酸催化氮杂内酯与偶氮萘的不对称[3+2]反应11构建了一系列手性杂环化合物(图 5)。
图 5 含氮1,3-偶极子参与的催化不对称环化反应
4. 开发吲哚衍生物参与的催化不对称去芳构化反应合成手性杂环化合物
吲哚衍生物的催化不对称去芳构化反应是合成四取代手性吲哚衍生物的有效方法之一,但是吲哚衍生物的芳基化去芳构化反应却鲜有报道。石枫课题组发展了有机小分子催化下的2,3-二取代吲哚、色醇等吲哚衍生物的不对称芳基化去芳构化反应,构建了多种手性四取代吲哚骨架12(图 6)。
图 6 吲哚衍生物参与的催化不对称去芳构化反应合成手性杂环化合物
5. 药物作用
石枫课题组研究了部分吲哚类手性杂环化合物性质,主要包括生物活性和催化活性。通过研究,发现一些吲哚类手性杂环化合物对肿瘤细胞MCF-7、A549、788-0、BT474具有较好的抑制效果。此外,轴手性吲哚骨架还可以转化成轴手性的三芳基膦衍生物,它们可以作为手性膦催化剂催化一些环加成反应(图 7)。
图 7 手性杂环骨架应用性研究
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代明骥:(1979年出生于四川省彭州市)普渡大学副教授。有机化学家,课题组主页:https://www.chem.purdue.edu/dai/index.html
代明骥教授的研究计划是:有机合成的策略、方法的创新,并将其成果用于解决生物学和医学方面的重要问题,最终通过有机合成造福人类。目前课题组主要致力于下面的几个方面:1)具有治疗癌症、中枢神经系统疾病、传染病等特殊潜力的天然和非天然分子的研究;2)破解天然产物的作用机理,开发用于生物探针和新疗法的先导化合物;3)使用新的合成方法来创建新颖、多样、复杂且具有生物活性的小分子药物库。
1. 羰基化与全合成
代明骥教授课题组的主要工作之一是开发钯催化的羰基化反应的方法和策略,以简化具有生物活性的天然产物的全合成(特别是大环内酯类和螺环类天然产物的合成)。钯催化剂与廉价易得的一氧化碳生成高活性的酰基钯物种1,然后被底物原位捕获以生成所需要的内酯,如桥连、稠环和螺环内酯类一系列天然产物2的全合成3-8(Fig.1)。
Figure 1 羰基化与全合成
2. FGP策略与发散性全合成
代明骥教授课题组的还开发了通过FGP(Functional group pairing)策略多样化构建具有生物活性的天然产物分子骨架的一系列新方法。FGP策略的核心思想是快速高效合成具有必需官能团的关键中间体,并将根据不同的官能团调整不同的反应模式,以构建多样化的分子骨架(分子骨架可作为合成所选天然产物和有针对性的小分子化合物的平台。)目前,代明骥教授课题组使用FGP策略完成了具有重要的神经活性的lyconadin生物碱家族9和具有抗癌活性的新型萜烯吲哚生物碱(TIA)系列的合成10(Fig.2)。
Figure 2 FGP策略与发散性全合成
3. 串联金催化与多环二萜的合成
多环二萜是药物开发过程中有前途的先导化合物,如 daphnane、rhamnofolane、tigliane 类二萜化合物具有抗癌、抗病毒、镇痛和神经营养作用的生物活性。但是,多环二萜的结构复杂性,天然稀缺性以及尚未阐明的生物合成和作用方式严重阻碍了它们的生物医学发展。为了释放其全部治疗潜力,代明骥教授课题组课题组针对这些复杂的生物活性天然产物及其类似物启动了功能驱动的全合成计划。目前为止,代明骥教授课题组已经开发了:1)金催化的呋喃形成和呋喃-联烯的 [4+3]环加成的串联反应以促进两种 rhamnofolane 类二萜化合物 curcusone I 和 J 的合成2;2)建立了一种 daphnane 类二萜化合物骨架的合成方法,如 kirkinine 和 K7的合成11(Fig.3)。
Figure 3 串联金催化与多环二萜的合成
4. 环丙醇开环交叉偶联
烷基交叉偶联反应在药物化学、天然产物合成等领域具有重要的应用价值。烷基交叉偶联过程中常用的烷基亲核试剂多为烷基格氏试剂、烷基锌试剂和烷基硼试剂。其中一些试剂的官能团兼容性差,必须在原位或使用前立即生成,并且长期贮存不稳定。环丙醇等环状醇容易发生开环反应,可作为交叉偶联反应中的潜在亲核烷基化合物12。目前,代明骥教授课题组利用金属催化环丙醇开环做了很多的工作,其中包括:1)铜13和锰催化的环丙醇开环交叉偶联反应,在酮的β位置引入了各种基团,如CF314、SCF314、氨基15、(氟)烷基16和杂芳基;2)钯催化的环丙醇开环交叉偶联和羰基化的串联反应7来合成螺环内酯化合物(Fig.4)。
Figure 4 环丙醇开环交叉偶联反应
5. 双胺化合成氮杂环
饱和N-杂环化合物包括哌啶、哌嗪、1,4-二氮杂烷、1,4-二氮杂烷和相关的大环化合物。含氮杂环化合物具有独特的生理和药理活性,广泛存在于天然产物和药物中。美国食品药品监督管理局(FDA)认证的一半以上的小分子治疗药物都含有氮杂环结构。其中饱和1,4-双氮杂环化合物是含氮杂环化合物重要的组成部分,如哌嗪类化合物在含氮杂环小分子药物中位列第三,目前有六十多个美国FDA认证的小分子药物含有哌嗪骨架。虽然近年来发展了大量的方法学合成1,4-双氮杂环化合物,但是这些方法往往存在一定的局限性,如原料合成困难、反应步骤冗长和重金属残留等问题,极大限制了实际应用。代明骥教授课题组基于1,4-双氮杂环化合物的结构分析,巧妙地设计了一锅法无金属催化的联烯和双胺化合物的形式[2+4]/[2+5]/[2+6]环加成反应合成哌嗪、1,4-双氮杂庚烷和1,4-双氮杂辛烷17(Fig.5)。
Figure 5 双胺化合成氮杂环
6. 药物化学与化学生物学
代明骥教授课题组与陈继新教授的小组合作,为活细胞设计并开发带有拉曼活性的新型探针分子,并通过拉曼散射(SRS)显微镜进行活体成像18(Fig.6)。目前,还与其他一些研究小组合作,以开发用于治疗传染病,癌症和神经系统疾病的新的先导分子19。 例如:在Seleem小组中,我们已经鉴定出一系列芳基异腈化合物作为有效的新型抗菌和抗真菌药物(Eur. J. Med. Chem. 2015,101,384; Bioorg. Med. Chem. 2017, 25, 2926; Bioorg. Med. Chem. 2019,27, 1845);与Watts小组合作,确定有效和选择性的AC1抑制剂可用于慢性疼痛治疗20(Org. Lett. 2015, 17, 892; Science Signaling,2017, 10, eaah5381)。
Figure 6 药物化学与化学生物学
Chem-Station对代明骥教授做了题为“青年新利官方网站 –代明骥”的专访21
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本文作者 石油醚
Nuno Maulide:(1979年12月17日出生于里斯本)葡萄牙有机化学家,奥地利维也纳大学教授。课题组主页:https://organicsynthesis.univie.ac.at/
自2009年成立以来, Maulide一直致力于利用活性中间体开发反应。利用活性中间体在简单温和的反应条件下实现串联反应或不对称催化转化等多个方面研究。
1. 酰胺的活化
Maulide一直致力于利用活性中间体的反应开发,一个典型的成就是酰胺的活化。酰胺活化的途径大概分为下面两种:(1) 酰胺与三氟甲磺酸酐和碱反应,得到烯酮亚胺中间体1-2。中间体一方面进行通过分子内环化和随后的克莱森重排3,则会生成ɑ-烯丙基丁内酯。另一方面,中间体与叠氮化物4或2,6-二甲基吡啶-N-氧化物亲核加成形成新的中间体5-7,随后新的中间体通过水或者其他亲核试剂的亲核攻击形成各种用的产物。(2) 布朗斯台德酸使酰胺质子化,得到烯酮亚胺中间体8-9,烯酮亚胺中间体与金属试剂,氰化合,亚砜等化合物反应,合成ɑ,ß-二取代的烯胺10,吡啶环,异喹啉环11,嘧啶环以及酰胺的ɑ-芳基化和1,4-二羰基骨架12的构建(Fig.1)。
Figure 1 酰胺的活化
2. 过渡金属催化
Maulide教授先前已经报道过许多过渡金属催化的反应。其中最典型的例子是高度非对映/对映选择性钯催化的环丁烯环的烯丙基烷基化13(Fig.2)。Maulide教授熟练使用手性配体成功的控制了非对映/对映选择性,高效的合成单一构型的产物14-15(Fig.2)。
Figure 2 过渡金属催化
3. 天然产物全合成
Maulide小组应用环丁烯环的4π-开环反应形成二烯骨架的方法,完成了具有共轭二烯羰基骨架的化合物的天然的全合成16-19。还使用碳氢活化20来构建具有活性的天然产物骨架(Fig.2)。
Figure 3 天然产物全合成
Maulide教授还精通钢琴,曾经想当钢琴家(摘自采访文章)。
Maulide教授形容自己是一名化学家和钢琴家,当他出现在电视节目中时,他通过现场钢琴表演来解释化学的研究价值。(视频1和视频2)
Maulide教授的钢琴活动仍在进行中,2012年曼彻斯特国际业余钢琴比赛的决赛入围者,以及2013年巴黎优秀业余国际钢琴比赛的第四名。 (摘自YAMAHA HP新闻与活动文章)。
Maulide教授最喜欢的词是“幸福是一种自我实现的预言。”
Maulide教授最喜欢的电影是《 Matrix》,钢琴家O Leao da Estrela。
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本文作者 石油醚
Fabien Gagosz, 渥太华大学化学与生物分子科学系教授,有机化学家。课题组主页:https://www.thegagoszgroup.com/
Fabien Gagosz教授的研究兴趣集中在设计新的催化方法学,并将其用于开发各种感兴趣的分子结构合成。课题组研究计划专注于新催化反应的设计和新合成方法的开发,特别关注和偏爱后过渡金属催化和金的均相催化。
1. 金催化
金的均相催化是一种可有效地使碳-π体系官能团化并为分子复杂性和多样性生成的一种特定且功能强大的合成方法。亲电的金络合物在其他官能团存在的情况下选择性与炔烃或联烯结合,并通过多种亲核物质激活它们实现官能团化的能力,为发现新的转化提供了独殊的机会。除了作为Lewis酸之外,金还可能作为电子供体,从而使中间阳离子物种稳定。金配合物还具有无毒、耐氧和与水环境相容的特性,因此可以在环境友好的工业过程和实际操作中具有潜在应用。Gagosz课题组正在利用亲电金络合物的独特反应性来发现可能适用于有机合成各个领域的新颖有机化学反应(scheme 1)。
Scheme 1 金催化
1.1 新型金催化剂
为了提高反应的效率和选择性,开发新反应性并调节合成转化中金中间体的作用,新的金催化剂的合成至关重要。Gagosz小组在这一领域很活跃,已经开发了多个金(I)配合物家族(scheme 2),并且已被该领域的研究小组广泛使用1-3。
Scheme 2 新型金催化剂
1.2 环化–多重键形成转化
通过利用金物种亲电的独特反应性,Gagosz教授团队设计并开发了能够在一次反应中以立体选择性的方式形成多个C-C或C-杂原子键的催化过程4-8(Scheme 3)。
Scheme 3环化-多重键形成转化
1.3 氮宾转移到碳π–系统
金催化反应中,具有离子化基团的氮亲核配合物可以在碳π-体系上转移氮宾化合物。Gagosz课题组利用这种类型的反应来开发能够以炔烃和联烯基团作为底物的氨基官能团化合成各种氮杂环的方法9-14(Scheme 4)。
Scheme 4 氮宾转移到碳π-系统
2. 氢转移过程
氢转移,无论是在亲电活化下以氢化物(H-)形式还是在氢自由基(H∙)中形式,都是使有机分子官能化并增加其结构复杂性的有用方法。尽管多年来已经报道了涉及这些过程的许多转化,但是这种反应仍然没有在合成方法的背景下得到充分的利用。使用金催化或自由基化学设计和开发了碳-π系统(烯烃,炔烃,联烯)加氢官能化和C-H键官能团化的转化(scheme 5)。
Scheme 5氢转移过程
2.1 氢转移过程
金的催化作用可以产生高度亲电的中间产物,是进行氢化物转移的一个特别有用的工具。Gagosz教授小组利用这一特性在金活化的炔烃与丙二烯或亲电金中间体上进行分子内氢转移的转化15-20(Scheme 6)。
Scheme 6 氢转移过程转化
2.2 自由基氢转移
Gagosz教授利用氧化还原条件下的自由基化学,来发展涉及中间氢转移步骤的转化和对实现烯烃区域和非对映选择性氢官能团化的反应21-23(Scheme 7)。
Scheme 7自由基氢转移
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本文作者:石油醚
Kami L. Hull, 美国德克萨斯大学奥斯汀分校化学系副教授,有机化学家。主要专注于过渡金属催化反应的发展和机理研究,课题组主页:https://sites.google.com/utexas.edu/thehullgroup/home
Hull小组重点主要是开发过渡金属催化新的方法以及对其机理方面的研究,已达到合成化学的原子经济性和减少其废弃物排放的直接目标。Hull教授从研究的共同目标出发,设计并开发新的方法,从简单常见,廉价的化合物为起始原料去构建复杂的产物。
1. 区域选择性加氢和烯烃官能化
药物分子中普遍存在C-X(X = N, S, O)键,但选择性地将 C-X 键引入到有机化合物中既耗时又耗费资源。C=C键选择性地加成X-H,可以使得简单易得的起始原料中构建各种不同官能团。鉴于这种方法潜在的多功能性和实用性,分子间,区域性,化学性和立体选择性加氢官能化反应的发展并没有在合成化学中得到长足的发展。
Hull小组利用带有路易斯碱性基团(L〜C=C)的烯烃底物来开发选择性加氢官能化反应的新方法。该协调小组的加入具有若干优势。首先,烯烃官能化之前,增加路易斯碱性基团的浓度来促进路易斯碱性位点与金属配位使得金属环化反应的发生。因此,链长,路易斯碱性基团的种类和催化剂等都可以影响马式加成或反马式加成产物的选择性。Hull小组成功地实现了烯丙基亚胺马式规则的选择性加氢胺化和高烯丙基胺的反马式规则的选择性加氢胺化的策略1-3。此外,还实现了烯丙基胺的选择性硫基化反应4,其中根据所用催化剂的不同选择性地形成马式产物或反马式产物。(Fig.1)
Figure 1 烯烃的官能化
尽管导向基团是促进区域选择性加氢官能化的绝佳方法,但也Hull小组希望开发一种不依赖预官能化底物催化控制的方法。烯烃的氧化胺化,也称aza-Wacker 氧化,形成新的C-N键而后氧化底物重新构建烯烃以进行进一步官能化的绝佳方法。此外,它结合了两种廉价易得起始原料,并且O2用作氧化剂,仅产生当量的H2O为副产物。虽然可能存在两种不同的区域异构的产物,未活化的烯烃进行氧化胺化反应以提供马式加成的产物(在烯烃的取代度更高的碳上形成新的C-N键)。Hull 教授假设在过量氯化物存在下,使得Pd 配合物容易形成并促进aza-Wacker氧化,这是通过相对较大的邻苯酰亚胺亲核试剂进攻与烯烃配位的Pd 配合物,反马式选择性的形成较少受阻的C-N键5,6。(Fig.2)
Figure 2 aza-Wacker 氧化
2. 烯丙醇与烯丙胺的氧化酰胺化
酰胺是在很多生物分子和具有生物活性的小分子中最常见的官能团。活化的羧酸衍生物与胺亲核试剂之间直接偶联的是最广泛的方法,但是还存在具有显着的固有缺点(即:产生化学计量的高分子量副产物,并且需要大量的保护基的操作)。 醛通过转移氢化的氧化官能化已成为传统偶联方法的一种最有前途的替代方法之一。 Hull小组已经证明,阳离子铑催化剂可以促进烯丙醇,烯丙胺和立体受阻的醇或醛的氧化酰胺化6-8。(Fig.3)
Figure 3 氧化酰胺化
Hull教授将不对称的1,3-氢迁移与氧化官能化结合在一起,可以生成酰胺,同时建立近端立体中心。9,10(Fig.4)
Figure 4 1,3-氢迁移与氧化官能化
烯丙基胺的不对称氧化酰胺化的对映选择性主要取决于生成非对映体纯的三取代烯烃的能力。 由于这仍然是一个重大的合成挑战,因此,Hull小组寻求开发一种铜催化的氢芳基化反应,以促进芳环与氢和炔烃进行顺式加成。11(Fig.5)
Figure 5 加成反应
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本文作者:alberto-caeiro
大宮 寛久[1](Hirohisa Ohmiya),日本有机化学家,金沢大学医薬保健研究域,薬学系教授。图片:实验室介绍。
1. N–heterocyclic carbene-based (radical) organocatalysis
Ohmiya教授将NHC催化反应和金属催化的烯丙基取代反应结合,底物醛与小分子催化剂NHC反应生成的Breslow中间体与烯丙基金属复合物发生烯丙基取代反应,得到β,γ-不饱和酮类化合物[2]。
而在自由基过程中,生成的Breslow中间体去质子后,与邻苯二甲酰亚胺酯发生电子转移,生成正离子自由基与脱羧后生成的烷基自由基结合得到原料醛烷基化的酮产物[3a]。此外,该反应体系中可加入烯烃,得到插烯烷基化产物[3b]。
NHC-based (radical) organocatalysis
Reaction mechanisms: left: NHC/Pd hybrid catalysis; right: NHC radical catalysis
2. Reductive umpolung of aldehydes
Ohmiya教授将硅基铜对醛加成反应和[1,2]-Brook重排反应结合起来,实现了醛的极性反转,形成的烷基铜物种可直接进攻酮,亚胺生成手性邻二醇[4a]和α-氨基醇[4b],也可与发生转金属,实现醛的芳基加成反应得到手性醇[4c,d]。
Reductive umpolung of aldehydes
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本文作者:石油醚
Corinna S. Schindler, 在德国施韦比施哈尔出生并长大,美国密歇根大学科学与艺术学院助理教授,有机化学家。
课题组主页:https://www.schindlerresearchgroup.com/
Corinna S. Schindler主要研究廉价易得的金属Fe催化羰基化物-烯烃的复分解反应,具有生物活性的天然产物的全合成。课题组的理念是“合成与催化”,发展新的反应并应用于高活性的天然产物的全合成,做有用的化学。
1. Fe催化的羰基–烯烃复分解1-10
烯烃复分解反应是迄今为止已知的最强大的碳-碳键形成的反应之一,通过简单的转化就可以从简单的烯烃前体合成复杂的不饱和烯烃。虽然羰基-烯烃复分解属于其中,但是以往实现这一过程需要实现化学计量的Mo(IV)过渡金属络合物以及严苛的实验条件严重阻碍羰基-烯烃复分解反应得进程。Schindler小组使用廉价易得,环境友好以及催化量的FeCl3替代化学计量的贵金属催化剂,在羰基-烯烃复分解方面取得迈出了重要一步1。课题组基于Fe催化的羰基-烯烃复分解反应实现了分子间,分子内的羰基-烯烃复分解反应来构建复杂的不饱和烃化合物。(Fig.1)
Figure 1 Fe催化的羰基-烯烃复分解
铁(III)催化的羰基-烯烃闭环复分解代表了一种用于组装传统上由烯烃-烯烃复分解或烯烃化生成的分子的新方法。Schindler小组3通过详细的条件筛选,光谱,动力学和计算化学方面的研究,以确定由铁(III)中间体以及温度,浓度等方面的数据。由于获得数据,Schindler小组发现[2 + 2]环加成反应形成中间体氧杂环丁烷22是决速步骤,而后氧杂环丁烷通过路易斯酸活化作用的断裂导致形成五元或六元不饱和碳环。(Fig.2)
Figure 2 Fe催化的羰基-烯烃复分解反应机理
2. 天然产物全合成及其活性作用研究
Schindler教授在学生时代就开始了全合成工作的探索11-13,完成了多个天然产物的全合成工作,因此与天然产物全合成结下了不解之缘。自己独立开展工作后,课题组的另外一个方向是高活性天然产物的全合成的研究以及分子生理活性评价。目前已经完成了:1)从牵牛花种子中分离出来具有抗癌细胞毒性以及对于 A549,SK-OV-3,SK-MEL-2和HCT-15细胞活性的Pharbinilic acid及其衍生物,并且还作为NF-kB抑制剂的生物学评价14;2)具有独特支原体环素骨架用来作为对宿主具有低毒性的选择性CYP121抑制剂的环孢菌素15,3)从戊酸青霉Fg-372中分离出一种具有抑制流感病毒复制显示出抗生素作用以及防止血小板凝结的大环真菌代谢物Herquline A及其衍生物16。(Fig.3)
Figure 2天然产物全合成及其活性作用研究
对于学生来说,毕业答辩可谓是学生生涯中最开心,最紧张的事,完成答辩之后接踵而至的应该是聚会和庆祝。但是Corinna S. Schindler教授在完成答辩后却对导师Erick M. Carreira说答辩结束后要完成几个重要的实验。Prof. Erick M. Carreira 以为Corinna S. Schindler在开玩笑。但是答辩结束后,Corinna S. Schindler不约而同的在实验室忙绿。
Prof. Erick M. Carreira对她评价“Schindler是他见过最为勤奋刻苦的学生,她不仅拥有敏捷的思维,而且还会为自己每天的工作做好周密的计划。面对科学研究中的种种困难。总是勇于面对,从不退缩。”
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本文作者:石油醚
Svetlana B. Tsogoeva, 德国埃尔朗根-纽伦堡大学有机化学系教授,有机化学家。主要专注于不对称有机催化以及合成化合物的活性研究。
课题组主页:https://www.chemistry.nat.fau.eu/tsogoeva-group/
1. 不对称催化
(1)开发原料易于获取且环境友好的一锅合成(如多米诺反应)并将其应用于具有生物活性杂环等有机分子的合成中。通过减少后处理步骤和反应阶段,极大的节省实验室工作时间,并可以降低合成的成本。Svetlana B. Tsogoeva , 小组目前的针对性开展这种环境友好和经济高效的方法的研究1-5。
(2)新型手性双官能团化催化剂的开发以及在常规溶剂和水中的反应尝试6-12。(Fig.1)
Figure 1 手性催化剂
2. 杂合分子的活性研究
癌症治疗以及使用多种耐药菌株治疗病毒和疟疾感染是现代医学面临的最大挑战之一。因此,有机和药物化学的一个重要目标是针对性的开发治疗疾病的新型药理活性药物分子。一种新的有前途的方法是开发基于已知天然产物和天然产物类似物的杂合分子。这种方法对于开发用于医学应用新的先导结构非常有吸引力,因为这些杂合分子的生物学活性在许多情况下都超过了相应母体化合物的生物学活性。已经显示出,杂合分子与其抗病毒,多抗性疟疾株和抗性癌细胞的单个组分相比具有更高的活性。青蒿琥酯是青蒿素的半合成衍生物,青蒿素是一种在癌细胞中显示出细胞毒活性的药物。我们目前正在合成含青蒿琥酯和其他具有生物活性的杂合分子,用于抗癌,抗病毒和抗疟疾研究5,13-20。(Fig.2)
Fig.2 杂合分子的活性研究
3. 通过结晶对手性化合物进行连续拆分
课题组照片
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