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南科大谭斌课题组再创佳绩：通过有机催化实现对位联烯醌的远端轴手性控制

来源：南方科技大学      2025-01-20
导(dao)读：轴手(shou)(shou)性(xing)(xing)o-VQMs（联烯(xi)醌）作为构(gou)建(jian)多(duo)(duo)种(zhong)手(shou)(shou)性(xing)(xing)化合物的(de)关键中间体已被广泛研究(jiu)。与之形成鲜明对(dui)比(bi)的(de)是，它们的(de)异构(gou)体p-VQMs尚未被开发，这(zhei)可(ke)能是由于炔(gui)的(de)远端对(dui)映(ying)选(xuan)择性(xing)(xing)活化存在(zai)固有(you)的(de)挑战。本文揭示了(le)对(dui)羟(qiang)基取代芳基乙炔(gui)的(de)活化机制(zhi)(zhi)：在(zai)手(shou)(shou)性(xing)(xing)磷酸催(cui)化下，通(tong)过(guo)1,7-质(zhi)子转移来实(shi)现(xian)远程(cheng)(cheng)立体化学控(kong)制(zhi)(zhi)，形成轴手(shou)(shou)性(xing)(xing)联烯(xi)醌，紧接着接受(shou)多(duo)(duo)种(zhong)亲核试(shi)剂进攻(gong)，从而构(gou)建(jian)具有(you)优异对(dui)映(ying)选(xuan)择性(xing)(xing)的(de)轴手(shou)(shou)性(xing)(xing)芳基烯(xi)烃。此外，开展了(le)一系列的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)实(shi)验来阐(chan)明反应的(de)机理(li)，验证了(le)多(duo)(duo)分子手(shou)(shou)性(xing)(xing)磷酸参(can)与该反应过(guo)程(cheng)(cheng)。这(zhei)些(xie)发现(xian)有(you)望开启VQM化学新(xin)的(de)研究(jiu)空间，并启发更多(duo)(duo)有(you)机催(cui)化远程(cheng)(cheng)立体选(xuan)择性(xing)(xing)控(kong)制(zhi)(zhi)相关的(de)研究(jiu)。

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第一作者：崔源
通讯作者：谭(tan)斌，王永彬
通讯单位：哈尔滨工(gong)业(ye)大学(xue)、南方科技大学(xue)
论文DOI：10.1021/jacs.4c14589

全文速览

轴手性o-VQMs（联烯醌）作为构建多种手性化合物的关键中间体已被广泛研究。与之形成鲜明对比的是，它们的异构体p-VQMs尚未被开发，这可能是由于炔的远端对映选择性活化存在固有的挑战。本文揭示了对羟基取代芳基乙炔的活化机制：在手性磷酸催化下，通过1,7-质子转移来实现远程立体化学控制，形成轴手性联烯醌，紧接着接受多种亲核试剂进攻，从而构建具有优异对映选择性的轴手性芳基烯烃。此外，开展了一系列的控制实验来阐明反应的机理，验证了多分子手性磷酸参与该反应过程。这些发现有望开启VQM化学新的研究空间，并启发更多有机催化远程立体选择性控制相关的研究。

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图1. 通过(guo)1,7-质子转移来实现炔烃的远程不对(dui)称活化并构建(jian)多类轴手性芳基烯烃


背景介绍

官(guan)能(neng)团(tuan)的活(huo)化(hua)与转化(hua)为惰性(xing)分子进行(xing)选择性(xing)修饰提供了一(yi)种强大(da)的、实用的方(fang)法。然而，对(dui)远(yuan)离活(huo)性(xing)取(qu)代(dai)基的相对(dui)不活(huo)泼化(hua)学键进行(xing)精(jing)确活(huo)化(hua)一(yi)直是(shi)有机合(he)成(cheng)领域的重大(da)挑战，特别是(shi)在(zai)实现对(dui)映选择性(xing)官(guan)能(neng)化(hua)方(fang)面 (图 2a)。通(tong)常，底物的(de)(de)(de)空(kong)间(jian)结构必(bi)须(xu)与(yu)催(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)剂完美匹配，才(cai)能有利(li)于(yu)长距离的(de)(de)(de)有效(xiao)相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)。在自然界中，酶通(tong)过弱相互(hu)作(zuo)用(yong)(yong)实现了远(yuan)端键的(de)(de)(de)活(huo)化(hua)(hua)(hua)与(yu)转化(hua)(hua)(hua)。Yu、Maiti等课题(ti)(ti)组通(tong)过巧妙设计，在过渡金属(shu)催(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)芳环上模板导向(xiang)的(de)(de)(de)远(yuan)端 C-H 键位点(dian)选(xuan)(xuan)择(ze)性(xing)(xing)活(huo)化(hua)(hua)(hua)方(fang)面取得了巨大成功。谭课题(ti)(ti)组也通(tong)过偶氮作(zuo)为导向(xiang)基(ji)团，利(li)用(yong)(yong)有机催(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)剂屏蔽氮原子(zi)和(he)邻位的(de)(de)(de)反应位点(dian)，通(tong)过合适(shi)的(de)(de)(de)手性(xing)(xing)布朗(lang)斯特酸(suan)作(zuo)为催(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)剂实现了苯环对(dui)(dui)位 C-H 键的(de)(de)(de)选(xuan)(xuan)择(ze)性(xing)(xing)转化(hua)(hua)(hua) (图 2b)。Sun课题(ti)(ti)组通(tong)过远(yuan)程不对(dui)(dui)称诱(you)导的(de)(de)(de)方(fang)式，经对(dui)(dui)甲基(ji)醌 (p-QMs) 中间(jian)体(ti)合成了(le)具有(you)中心手性的萘(nai)酚和萘(nai)胺(an)。此外(wai)，该方(fang)法还被用(yong)于活化(hua)具有(you)对(dui)位炔丙(bing)基取代的酚类(lei)或苯(ben)胺(an)类(lei)化(hua)合物，并通过1,8-共轭加成构建(jian)了(le)轴(zhou)手性联烯 (图 2c)。通过有(you)机(ji)催化(hua)的1,5-质子转移活化(hua)2-炔基苯(ben)酚可以(yi)对(dui)映选择性地(di)生成邻位联烯醌中间(jian)体(ti) (o-VQMs)，由于其高(gao)度亲电性(xing)而(er)容易直接被亲核(he)试剂捕获。最(zui)近 Yan 研究组实(shi)现了手性(xing) o-VQMs 的分离和表征(zheng) (图 2d)。而对(dui)位(wei)联烯醌(kun) (p-VQMs) 尚未被(bei)开发，该领域(yu)进展显(xian)著滞(zhi)后的(de)主要原(yuan)因可能包括: 1） p-VQMs 的生成涉及(ji) 1,7-质(zhi)子迁移，这种更远(yuan)距离的活化(hua)过程需要具有(you)良(liang)好结构兼容性的双(shuang)功能质(zhi)子穿梭催化(hua)剂；2） 羟基作为(wei)氢键相互作用位点，在空间上远(yuan)离炔(gui)基活化(hua)位点，在没有(you)近端锚定基团的情况(kuang)下，单分(fen)子催化(hua)难以实现不对(dui)称诱导；3） p-VQMs 的稳定性、反应性和手性转移能力(li)的未知性给后续转化带来诸(zhu)多的不确(que)定性。

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图2：远端不对称活化与VQM的研究背景


本文亮点

谭(tan)斌课题组通(tong)过手(shou)性(xing)磷酸催化的(de)(de)(de)(de)1,7-质(zhi)子转移实(shi)现了对位羟(qiang)基取代的(de)(de)(de)(de)芳(fang)基乙炔的(de)(de)(de)(de)活化，并(bing)被(bei)三种(zhong)类型(xing)的(de)(de)(de)(de)亲核试剂(ji)捕获(huo)，以高产率(lv)和优异的(de)(de)(de)(de)对映选择性(xing)生成(cheng)结构多样的(de)(de)(de)(de)轴手(shou)性(xing)芳(fang)基烯烃。本文存在以下亮点：

1.1,7-质(zhi)子转移的模式(shi)(shi)在空间上(shang)属于远端不对称(cheng)活(huo)(huo)化(hua)，涉及的多分子催化(hua)模式(shi)(shi)区别于之前邻位VQM的近端活(huo)(huo)化(hua)模式(shi)(shi)；

2.除吲(yin)哚外，兼(jian)容更(geng)多类型的亲核(he)试剂（S与(yu)N亲核(he)试剂），极大地(di)丰富了轴手性(xing)(xing)烯(xi)烃(ting)结构的多样性(xing)(xing)；

3.反应中存在(zai)时(shi)间依赖(lai)的S进(jin)攻(gong)向(xiang)N进(jin)攻(gong)产物转化的现象，并(bing)详细阐明了其中涉(she)及(ji)的动力学(xue)拆分(fen)过(guo)程。


结果讨论

本文作者通过筛选发现最优的条(tiao)件可以适用于吲哚类亲(qin)核试(shi)(shi)剂(ji)和巯基类亲(qin)核试(shi)(shi)剂(ji)，两个(ge)体系(xi)仅存在(zai)反应(ying)时间的差别(bie)。在(zai)相应(ying)的条(tiao)件下，各类吸(xi)电(dian)子(zi)(zi)、给电(dian)子(zi)(zi)取代基被证明有很好的兼(jian)容性，炔(gui)类底物的普适性也十分广泛(fan) (图(tu)(tu)3a，图(tu)(tu)3b仅展示部(bu)分结果)。

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图3a：吲哚(duo)类 (C) 亲核(he)试剂的兼容性

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图3b：巯基类 (S) 亲(qin)核试剂的兼(jian)容性

作者通过适(shi)当优化反(fan)应条(tiao)件(jian)后，发现手(shou)性磷酸C6也可(ke)作为C-N键(jian)生成的(de)(de)最优催化剂，并获得(de)了广泛的(de)(de)底物适(shi)用范围 (图3c)。

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图3c：吡唑类 (N) 亲核试剂的兼容性

除此之外，作者通过机理验(yan)证提出了(le)反应中存在(zai)磷酸催(cui)化下的(de)动(dong)力(li)学拆分过程 (图4a)。非线性(xing)实验(yan)证明了(le)该反应是涉(she)及多(duo)个催(cui)化剂(ji)分子(zi)参与的(de)过程(图4b)。

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图(tu)4a：磷酸存(cun)在(zai)下的动力(li)学(xue)拆分实(shi)现S-N转(zhuan)化(hua) 

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图4b：正相(xiang)关的(de)非线性(xing)效应


总结展望

谭斌教授(shou)团队利用多(duo)分子手性磷酸催(cui)化的模式将对羟基(ji)(ji)取代芳基(ji)(ji)乙炔通过1,7-质子转移活化为p-VQMs中间体，并被三种亲核试剂捕获实现了远端不对称立体控制。该工作拓展了VQM化学的应用潜力，也为小分子催化模式的远端不对称控制提供了一条新的思路。本文的第一作者是谭斌课题组的博士研究生崔源，博士生刘欢欢、向少华副教授在数据收集、测试分析、论文整理等方面作出了重要的贡献。

通讯作者简介

谭斌，南(nan)方科(ke)(ke)技(ji)大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)理学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)院副(fu)院长、化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)系(xi)讲席教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)，博(bo)(bo)士(shi)生导(dao)(dao)师，国(guo)家自(zi)然科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)杰(jie)出青年(nian)(nian)基(ji)金获(huo)(huo)得(de)者（2024年(nian)(nian)获(huo)(huo)得(de)延续资助(zhu)）。2005年(nian)(nian)硕士(shi)毕业于(yu)厦门(men)大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)（导(dao)(dao)师：靳立人教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)），2010年(nian)(nian)博(bo)(bo)士(shi)毕业于(yu)新加坡南(nan)洋(yang)理工(gong)大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)（导(dao)(dao)师：钟国(guo)富(fu)教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)），随后(hou)到美(mei)国(guo)Scripps研(yan)究所从(cong)事博(bo)(bo)士(shi)后(hou)研(yan)究（导(dao)(dao)师：Carlos F. Barbas III），2012年(nian)(nian)9月(yue)以准(zhun)聘(pin)（Tenure-Track）副(fu)教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)身(shen)份加入南(nan)方科(ke)(ke)技(ji)大学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)系(xi)，2018年(nian)(nian)2月(yue)晋升(sheng)为终(zhong)身(shen)正教(jiao)(jiao)授(shou)(shou)。主(zhu)要从(cong)事基(ji)于(yu)有(you)机(ji)催化(hua)(hua)(hua)的轴手性化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)研(yan)究，以通讯作(zuo)者身(shen)份在国(guo)内外学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)术(shu)期(qi)刊上(shang)发表高水平论(lun)文100多篇(pian)，包括1篇(pian)Science、5篇(pian)Nature Chemistry、5篇(pian)Nature Catalysis和8篇(pian)Nature Communications，受(shou)邀在Accounts of Chemical Research和Chemical Reviews上(shang)撰写(xie)综(zong)述与(yu)展望，总引(yin)用(yong)次数过万。主(zhu)编(bian)(bian)Wiley出版的《轴手性化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)》专(zhuan)著。曾获(huo)(huo)得(de)科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)探索奖(jiang)(jiang)、世界华(hua)人有(you)机(ji)化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)奖(jiang)(jiang)、广东省自(zi)然科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)一等奖(jiang)(jiang)、药明(ming)康德生命化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)研(yan)究奖(jiang)(jiang)和亚洲新星讲座奖(jiang)(jiang)。目前担任(ren)《中(zhong)国(guo)化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)》副(fu)主(zhu)编(bian)(bian)和《中(zhong)国(guo)科(ke)(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)：化(hua)(hua)(hua)学(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)(xue)》编(bian)(bian)委。

王永彬，2015年博士毕业于中国药科大学，随后加入南科大从事博士后研究，目前为南科大深圳格拉布斯研究院的研究副教授，主要从事不饱和烃的有机催化活化研究。

文献详情：

Organocatalytic Activation of Alkynes Enabled Remote Control of Atroposelectivity via Vinylidene para-Quinone Methides

Yuan Cui，Yong-Bin Wang*，Huan-Huan Liu，Shao-Hua Xiang，Bin Tan

J. Am. Chem. Soc. 2025

//doi.org/10.1021/jacs.4c14589

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【招(zhao)聘】南科(ke)大谭(tan)斌教授团队诚招优秀博士研(yan)究生（快响行动(dong)）

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研究方向




不(bu)对称轴手性化(hua)学(xue)，有(you)机小分子催化(hua)及不(bu)对称多组分反应




申请条件




满足(zu)《南(nan)方科(ke)技大学2025级博士(shi)研究生招(zhao)生简章(zhang)》中博士(shi)生报考基本条(tiao)件，且满足(zu)下列条(tiao)件之一(yi)：

1. 本科、硕(shuo)士均(jun)毕业于国(guo)内外高水(shui)平大学或(huo)重要科研(yan)院所。

2. 海外一(yi)流高校(xiao)本(ben)科毕业生，本(ben)科高校(xiao)原则上(shang)需同(tong)时入围 THE、U.S.News、QS、ARWU 主(zhu)流世界(jie)大(da)学(xue)排行(xing)榜前 100 名，本(ben)科 GPA 不低于(yu) 3.5（满分 4 分制(zhi)）


申请程序

详情请参考学校招生信息。//gs.sustech.edu.cn/#/admission/detail?current_child_id=86&id=96&article_id=3290


课题组介绍

主要从事基于有机催化的轴手性化学研究，以通讯作者身份在国内外学术期刊上发表高水平论文100多篇，包括1篇Science、5篇Nature Chemistry、5篇Nature Catalysis等，受邀在Accounts of Chemical Research和Chemical Reviews上撰写(xie)综(zong)述(shu)与展望，总引用次数(shu)过万(wan)。主编Wiley出版(ban)的《轴手(shou)性化学(xue)》专(zhuan)著。曾(ceng)获(huo)得科学(xue)探索奖(jiang)(jiang)(jiang)、世界华(hua)人有机化学(xue)奖(jiang)(jiang)(jiang)、广(guang)东省(sheng)自然科学(xue)一等奖(jiang)(jiang)(jiang)、药明康德生命(ming)化学(xue)研究奖(jiang)(jiang)(jiang)和亚洲新星讲座奖(jiang)(jiang)(jiang)。

课题(ti)组常年(nian)招聘博士(shi)后和研究助理。课题(ti)组更多(duo)详(xiang)情请见(jian)：

//www.x-mol.com/groups/tan_bin

欢迎有志于从事有机合成研究的优秀博士生加入！有意向者请将pdf格式的详细简历及代表论文发到：谭斌老师：tanb@sustech.edu.cn


课题组近年代表性文章

1. Jian Zhang, Peiyuan Yu, Shao-Yu Li, He Sun, Shao-Hua Xiang, Jun Wang, Kendall N. Houk*, Bin Tan*. Asymmetric phosphoric acid–catalyzed four-component Ugi reaction. Science 2018, 361, eaas8707.

2.  Jin-Teng Che, Wei-Yi Ding*, Hong-Bo Zhang, Yong-Bin Wang, Shao-Hua Xiang, Bin Tan*. Enantioselective synthesis of 2-substituted bicyclo[1.1.1]pentanes via sequential asymmetric imine addition of bicyclo[1.1.0] butanes and skeletal editing. Nat. Chem. 2025, 17, in press.

3. Quan-Hao Wu, Meng Duan, Yu Chen, Peiyuan Yu, Yong-Bin Wang*, Jun Kee Cheng, Shao-Hua Xiang, Kendall N. Houk*; Bin Tan*. Organocatalytic olefin C-H functionalization for enantioselective synthesis of atropisomeric 1,3-dienes. Nature Catalysis 2024, 7, 185.

4.  Ye-Hui Chen, Meng Duan, Si-Li Lin, Yu-Wei Liu, Jun Kee Cheng, Shao-Hua Xiang, Peiyuan Yu, Kendall N. Houk*, Bin Tan*. Organocatalytic aromatization-promoted umpolung reaction of imines. Nat. Chem. 2024, 16, 408.

5. Shao-Hua Xiang, Wei-Yi Ding*, Yong-Bin Wang, Bin Tan* Catalytic atroposelective synthesis. Nature Catalysis 2024, 7, 483.

6. Jun Wei, Jian Zhang, Jun Kee Cheng, Shao-Hua Xiang*, Bin Tan*. Modular enantioselective access to β-amino amides by Brønsted acid-catalyzed multicomponent reactions. Nat. Chem. 2023, 15, 647.

7.  Jian-Hui Mao, Yong-Bin Wang*, Limin Yang, Shao-Hua Xiang, Quan-Hao Wu, Yuan Cui, Qian Lu, Jie Lv, Shaoyu Li, Bin Tan*. Organocatalyst-controlled site-selective arene C–H functionalization. Nat. Chem. 2021, 13, 982.

8.  San Wu, Shao-Hua Xiang, Shaoyu Li, Wei-Yi Ding, Lei Zhang, Peng-Ying Jiang, Zi-An Zhou, Bin Tan*. Urea group-directed organocatalytic asymmetric versatile dihalogenation of alkenes and alkynes. Nat. Catal. 2021, 4, 692.

9.  Yong-Bin Wang, Peiyuan Yu, Zhi-Peng Zhou, Jian Zhang, Jun Wang, Shi-Hui Luo, Qiang-Shuai Gu, K. N. Houk*, Bin Tan*. Rational design, enantioselective synthesis and catalytic applications of axially chiral EBINOLs. Nat. Catal. 2019, 2, 504.

10.  Liang-Wen Qi, Shaoyu Li, Shao-Hua Xiang, Jun Wang*, Bin Tan*. Asymmetric construction of atropisomeric biaryls via a redox neutral cross-coupling strategy. Nat. Catal. 2019, 2, 314.

11.  Liang-Wen Qi, Jian-Hui Mao, Jian Zhang, Bin Tan*. Organocatalytic asymmetric arylation of indoles enabled by azo groups. Nat. Chem. 2018, 10, 58.


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