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邹永教授课题组发展CO2温和条件下的转化方法——常温常压下经铜催化C-H活化反应制备O-芳基氨基甲酸酯

日期:2019-04-15 来源:Administrator



现代社会对化石资源的开采和消耗使大气二氧化碳(CO2)含量不断上升,导致气候变化,成为当前全球面临的重大挑战。将CO2转化为大宗或高附加值化学品成为构建可持续未来的有吸引力的策略,并成为稳定大气CO2含量的一种潜在的途径。从合成角度看,CO2是一种理想的C1资源,其来源丰富、可再生、无毒性、不可燃、成本低廉。近年来,基于CO2的有机反应及合成方法层出不穷。

O-芳基氨基甲酸酯(O-aryl carbamates)是普遍存在于生物活性分子、药物及农药中的重要优势结构类型,也是有机合成中有用的试剂和中间体。传统获得这类化合物的方法主要基于有毒的、难处理的光气或其衍生物,给环境造成不良影响并带来安全隐患。近年来,以CO2为C1资源进行氨基甲酸酯的绿色合成受到广泛关注并取得了显著进步,但CO2参与的O-aryl carbamates的合成报道不多。因此,发展一种温和、高效、底物适应范围广,特别是在环境条件下具有反应活性的CO2参与的O-aryl carbamates合成方法是非常有意义的。

最近,中山大学陈新滋院士团队邹永教授课题组报道了在这一领域的新进展。他们以8-氨基喹啉为导向基,以廉价的CuI为催化剂、MnO2为氧化剂,在常温常压条件下实现了芳基甲酰胺、CO2和胺的三组分偶联反应。该方法在非常温和的条件实现了C(sp2)-H的氨基甲酰氧化反应(Carbamoyloxylation),表现出广泛的底物适应性和良好的官能团耐受性,为O-芳基氨基甲酸酯类化合物的合成提供了一种高效、绿色的方法,相关成果发表在Org. Lett. 上。

首先,作者以N-(喹啉-8-基)苯甲酰胺 1aa为模型底物对CO2参与的C(sp2)-H氨基甲酰氧化反应进行考察(图1)。在常温常压下,以CuI为催化剂、碳酸银为氧化剂,发现当没有碱的参与时,不能实现CO2的插入,只得到胺化产物。当以DBU为碱时,能以75%的收率选择性得到单取代的O-aryl carbamate目标产物3aa,证实碱的存在能促进CO2的插入并抑制胺化反应的进行。对氧化剂进行筛选时,作者发现廉价的MnO2与Ag2CO3具有几乎相同的效果,以氧气为氧化剂时该反应也能进行,但收率稍低。经过一系列的条件筛选,作者最终确定优选反应条件为CuI作催化剂、MnO2作氧化剂、DBU作碱、DMF作溶剂,在常温常压下反应24 h,即可以良好的收率获得目标化合物。

 

图1. 条件筛选

接下来,作者进一步对底物适用范围进行拓展(图2)。该反应表现出广泛的底物适用范围,对各种取代的苯甲酰胺、芳杂环甲酰胺(除呋喃外),甚至环己烯-1-甲酰胺皆适用。其中芳香环上含有给电子或吸电子取代基(包括敏感基团:卤素、氰基、硝基、乙酰基等)的底物都耐受。对于苯甲酰胺类底物,发现取代基位于间位和对位时,吸电子基团更有利于产物的生成;而取代基位于邻位时,无论吸电子还是供电子的基团皆只能以中等收率获得到氨基甲酰氧化产物。除此之外,作者也对各类的二级脂肪胺进行考察,发现无论是对称的、非对称的、环状的胺皆适用于该反应。同时,克级放大制备也可获得95%的收率。

 

图2. 底物拓展

作者还采用核磁共振、在线红外等手段对该反应的机理及CO2的转化过程进行了探究,结合动力学同位素效应(KIE)及自由基抑制等研究方法,提出如下机理(图3)。首先CO2与胺和DBU反应得到DBU的氨基甲酸盐A,然后A与CuI经过离子交换和氧化过程得到具有催化活性的氨基甲酸二价铜盐B,B与底物配位,经协同金属脱质子化(CMD)过程、歧化或氧化过程得到三价铜络合物E,最后经还原消除过程得到终产物3并释放出一价铜,从而完成催化循环。

 

图3. 可能的反应机理

邹永教授课题组将CO2转化与C-H活化策略相结合,发展了一种8-氨基喹啉为导向基的,CO2参与的C(sp2)-H氨基甲酰氧化反应。该反应以廉价的CuI为催化剂、MnO2为氧化剂,实现了CO2在常温常压下的转化。该反应不仅为O-aryl carbamates的合成提供了一种新的、有效的策略,也为CO2的温和转化和利用开拓了新视野。

该研究近期发表于Org. Lett.,中山大学药学院博士生罗翔为论文第一作者,邹永教授为论文通讯作者。该工作得到陈新滋院士的指导和帮助,并得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金重点项目的资助。

该论文作者为:Xiang Luo, Xianheng Song, Wenfang Xiong, Jianheng Li, Mingkang Li, Zefeng Zhu, Shuxian Wei, Albert S. C. Chan, Yong Zou*

文章来源:X-MOL
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