通过有机催化Povarov反应串联氧化芳构化对映选择性合成喹啉螺烯

螺烯（Helicene）通常为芳（杂）环邻位稠合而成的非平面多环芳香族化合物，具有固有螺旋手性，在材料科学、分子识别、不对称催化等领域具有应用前景。但是传统获得手性螺烯的方法主要依赖于手性试剂拆分或者手性HPLC分离。相比于其他手性化合物（中心手性或轴手性），可用于构筑手性螺烯的不对称催化合成方法非常有限，而且大都数方法需要过渡金属催化，存在催化剂价格昂贵、反应条件苛刻、底物适用性窄等缺点。而有机小分子催化具有催化效率高、底物适用性强、条件温和等优点，但是截至目前，用于构筑手性螺烯的有机催化策略仅有少数几例报道 (图1A)。

喹啉螺烯是一类重要的杂螺烯化合物，由于N原子上存在孤对电子，可与金属发生配位或者被进一步氧化，形成季铵盐类化合物，往往也表现出更强的光电性质。因此被广泛应用于发光材料、不对称催化、分子识别等领域（图1B）。但是，目前仅有两例过渡金属催化不对称合成手性喹啉螺烯方法被报道，分别是Tanaka和朱强课题组报道的Au催化不对称氢芳基化反应（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5555–5558）和Pd催化双 C(sp²)-H imidoylative annulation反应（ACS Catal. 2022, 12, 13034–13041）合成手性喹啉螺烯（图1C）。另外值得注意的是，这两个方法所合成的喹啉螺烯中喹啉都处于螺旋结构的中间。因此，发展简单高效的有机催化不对称方法合成喹啉螺烯，特别是端位喹啉螺烯是非常必要的。

近日，南开大学化学学院李鑫（点击查看介绍）课题组发展了手性磷酸催化的不对称Povarov反应结合氧化芳构化反应高效合成端位手性喹啉螺烯类化合物（up to 81% yield，up to 99% ee）（图1D）。

图1. 背景介绍和反应概述。图片来源：Nat. Commun.

作者首先利用DFT计算评估了一系列喹啉[5]螺烯化合物的外消旋化能垒，发现1-(3-吲哚)-喹啉[5]螺烯（36.7 kcal/mol）化合物的对映体在室温下可稳定存在（图2）。于是他们设计合成了Benzo[c]phenanthren-2-amine (1a)，并以1a、苯甲醛和3-乙烯吲哚为底物进行反应尝试。在得到目标化合物5a后，作者分别对Povarov反应和氧化芳构化反应条件进行优化（图3）。

图2. 外消旋化能垒计算。图片来源：Nat. Commun.

在得到最优条件后，作者对不同的芳基醛、3-乙烯吲哚、芳基胺底物的适用范围进行了考察（图4，图5）。结果表明对于芳基醛，不同位置、不同电性的取代基均具有良好的兼容性；使用不同的5-取代-3-乙烯吲哚所获得的产物均具有高对映选择性；对于不同结构的芳基胺也能得到满意的反应结果，甚至Dinaphtho[2,1-b:1',2'-d]furan-2-amine (1m) 也可高效合成手性喹啉[6]螺烯。

为了证明该反应的实用性，作者进行了放大化反应与产物转化实验，产物的对映选择性都能得到很好的保持。作者针对这个三组分三步反应进行了一锅法实验，发现能够以良好的收率和对映选择性得到目标化合物。

作者还通过DFT计算和实验对化合物的外消旋化能垒进行评估，结果表明化合物的螺旋手性具有很好的稳定性，而轴向手性则不能在室温下稳定存在（图7）。与此同时作者还通过DFT计算对Povarov反应的机理进行了研究。

最后作者对化合物的光化学性质进行研究。溶剂效应结果表明，随着溶剂极性的增加化合物的荧光量子产率增加（图8B）。酸效应结果表明，随着TFA当量的增加化合物的荧光发生明显红移（图8C）。作者对化合物的手性光学性质也进行了初步探究，化合物的不对称吸收因子g_abs高达8.3×10^-3，不对称发光因子g_lum可达5.1×10^-3。这些结果表明，该类喹啉螺烯化合物在光化学领域具有潜在的应用价值。

该工作于近期发表在Nature Communications 上，第一作者为博士研究生李成文，通讯作者为李鑫教授。感谢国家自然科学基金、元素有机国家重点实验室、物质绿色创造与制造海河实验室和科技部的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enantioselective synthesis of chiral quinohelicenes through sequential organocatalyzed Povarov reaction and oxidative aromatization

Chengwen Li, Ying-Bo Shao, Xi Gao, Zhiyuan Ren, Chenhao Guo, Meng Li & Xin Li*

Nat. Commun., 2023, 14, 3380, DOI: 10.1038/s41467-023-39134-9

导师介绍

李鑫

https://www.x-mol.com/university/faculty/11863