新型雙功能手性硫脲小分子催化劑的合成及其在Michael加成反應中的應用*

劉玉龍， 李 華， 王 謝， 何 煒

(第四軍醫大學 藥學院 化學教研室，陜西 西安 710032)

不對稱有機小分子催化是一種新型的、強有力的、環境友好的有機合成方法，近年來在有機化學中得到飛速發展，已經成為合成及構建手性有機分子骨架的重要手段[1,2]。其中,有機雙功能小分子催化劑因其分子中同時存在兩個活性位點，可以同時和底物相互作用，導致了反應速率的加快和立體選擇性的提高，成為國內外的研究熱點。手性硫脲作為很好的氫鍵供體，通常和叔胺類結構片段組合而成雙功能催化劑[3],在催化反應中叔胺結構片段起Lewis堿的作用，硫脲部分起Br?nsted酸的作用，協同活化反應物，加之該類催化劑特殊的空間構型，在許多有機化學反應中取得優異的催化效果和立體選擇性[4,5]。

奎寧是從金雞納樹皮中提取的一種含量較高的生物堿[6]，其分子中含有一個喹啉環和取代的手性氮雜雙環[2,2,2]辛烷結構，其特殊的剛性立體骨架和5個立體中心的存在使得該結構骨架在不對稱催化領域被稱為“優勢有機手性誘導體”。

Scheme 1

Scheme2

本文將手性氨基酸(1a～1d)還原為手性β-氨基醇(2a～2d)[7]，將其和奎寧異硫氰酸酯縮合合成了4個新型的多氫鍵硫脲催化劑(5a～5d, Scheme 1)，其結構經1H NMR，13C NMR， IR和HR-MS表征。并考察了5a～5d在查耳酮和硝基甲烷的Michael加成反應中的催化活性和對映選擇性(Scheme 2)。設想在催化反應中，奎寧雙環上的叔氮可起到鍵的作用，活化硝基甲烷，同時，硫脲以及氨基醇上的活潑氫易和查爾酮形成氫鍵，活化Michael受體。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XRC-1型顯微熔點儀(溫度未校正)；PE 343型自動旋光儀；Varian INOVA-400型核磁共振儀(DMSO為溶劑，TMS為內標)；IR-750型紅外光譜儀(KBr壓片)；Agilent TM 1260型高效液相色譜儀[DAICEL Chiralpak AD-H手性柱，洗脫劑：V(正己烷) ∶V(異丙醇)=4 ∶1，流速1 mL·min-1， 20 ℃， 254 nm]。

奎寧，上海試劑二廠；氨基酸(1a～1d)，上海薩恩化學技術有限公司；2a～2d按文獻[8]方法合成；其余所用試劑均為化學純或分析純，其中THF用前經無水處理。

1.2 5的合成(以5a為例)

在反應瓶中加入奎寧3.24 g(10 mmol)，三苯基膦3.28 g(12.5 mmol)和THF 30 mL，冰水浴冷卻，攪拌下迅速滴加偶氮二甲酸二異丙酯(DIAD)2.5 mL(12.5 mmol)的THF溶液，滴畢，反應5 min。緩慢滴入疊氮酸17 mL，滴畢，反應24 h。加入三苯基膦3.28 g(12.5 mmol)，繼續反應2 h(有氣體放出)。緩慢冷卻至室溫，加入10 mL蒸餾水，反應24 h。旋蒸除THF得黃褐色粘稠物，用混合溶劑[V(二氯甲烷) ∶V(HCl， 2 mol·L-1)=1 ∶1]70 mL萃取，分液，水層用飽和Na2CO3溶液調至pH 12后用二氯甲烷(3×30 mL)萃取，合并有機相，用無水Na2SO4干燥，經硅膠柱層析[洗脫劑：V(二氯甲烷) ∶V(甲醇) ∶V(三乙胺)=30 ∶1 ∶1]純化得淡黃色油狀物9-氨基表奎寧(3)2.23 g，產率69%[9]。

在反應瓶中加入3 1.61 g(5 mmol)和無水THF 5 mL，攪拌使其完全溶解；于-10 ℃緩慢滴加CS21.81 mL(30 mmol)，滴畢，迅速加入二環己基碳酰亞胺(DCC)1.03 g(5 mmol)，于-10 ℃反應24 h。旋除溶劑得棕黃色粘稠物，用少量二氯甲烷溶解，加入無水乙醚，析出大量白色固體，抽濾，濾餅用無水乙醚洗滌多次得白色固體9-氨基奎寧異硫氰酸酯(4)2.42 g，產率66%。

在反應瓶中加入4335 mg(1 mmol)，2a151 mg(1.1 mmol)和THF 1 mL，攪拌使其溶解；于室溫反應24 h(TLC檢測)。經硅膠柱層析[梯度洗脫劑：V(二氯甲烷) ∶V(甲醇)=40 ∶1～20 ∶1]純化得5a313 mg。

用類似的方法合成5b～5d。

1.3 5的催化活性

在反應試管中加入5 0.0125 mmol，查爾酮26.03 mg(0.125 mmol)，三氯甲烷0.5 mL， Na2CO313.25 mg(0.125 mmol)及硝基甲烷8μL(0.15 mmol)，攪拌下于室溫反應24 h。旋去溶劑，殘余物經硅膠柱層析[洗脫劑：V(石油醚) ∶V(乙酸乙酯)=10 ∶1]純化得白色固體4-硝基-1,3-二苯基丁烷-1-酮(6)。

2 結果與討論

2.1 5的合成

對于5的合成，我們曾設計了兩條路線：(1)將手性氨基醇和二硫化碳反應，生成相應異硫氰酸酯中間體，進一步和9-氨基表奎寧反應而得；(2)將9-氨基表奎寧和二硫化碳反應制得中間體4；4再和手性氨基醇2反應得到。路線一經過多次嘗試未能完成，可能原因是金雞納生物堿部分空間位阻較大，使其作為親核受體，反應不容易進行。而在路線二中，先將奎寧轉化為異硫氰酸酯，反應進行得較為順利。

2.2 查爾酮的Michael加成反應

以查爾酮為底物，硝基甲烷為親核試劑，首次將5應用于查爾酮和硝基甲烷的Michael加成反應中，結果見表1。由表1可見，1的結構對催化活性有較為明顯的影響。由1c和奎寧衍生的催化劑5c表現出較好的立體選擇性(Entry 3)。

表1 5催化的查爾酮和硝基甲烷的Michael加成反應aTable 1 The catalytic activity of 5 for Michael addition between chalcone and nitromethane

a以Na2CO3為堿，于室溫反應24 h;b分離產率;cHPLC分析結果

從表1還可見，溶劑對反應的影響較為明顯，以二氧六環、四氫呋喃和乙腈為溶劑時幾乎得到外消旋產物6；以正己烷和乙醚為溶劑時表現出中等程度的手性誘導效果；在甲苯，二氯甲烷和三氯甲烷中均可得到較高的ee值，其中在三氯甲烷中最好。在10% mol 5c催化下，三氯甲烷中，查爾酮和硝基甲烷室溫反應就可得到6，收率69%，對映選擇性86%(Entry 7)。

3 結論

奎寧和手性氨基醇通過硫脲片段組合，合成了4個新型的具有多氫鍵供體的雙功能手性硫脲類小分子催化劑。以查爾酮為底物，硝基甲烷為親核試劑，考察了催化劑在Michael加成反應中的催化活性和對映選擇性，結果表明，以Na2CO3為堿，三氯甲烷為溶劑，催化劑5c表現出較好的催化活性，6的收率69%，對映選擇性86%。

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