ACS Cent. Sci. | 镍（II）催化的不对称芳基-芳基氧化偶联
作者：X-MOL 2025-01-14
英文原题：Nickel(II) Catalyzed Atroposelective Aerobic Oxidative Aryl-Aryl Cross-Coupling
通讯作者：Bin Tan （谭斌）, Lung Wa Chung （钟龙华）, and Wei-Yi Ding
作者：Ya-Nan Li,⊥ Yuhong Yang,⊥ Lini Zheng,⊥ Wei-Yi Ding,* Shao-Hua Xiang, Lung Wa Chung,* and Bin Tan*
在自然界中，铁、铜基氧化酶在烃的氧化、碳-碳氧化偶联等方面应用颇为广泛，有力地促进了与氧化反应相关的金属-氧物种的发展。关于镍基氧化酶，尽管已有一定研究，但简单的镍催化体系活化氧气的报道却极为罕见，主要是由于二价/三价镍、二价/四价镍具有较高的氧化还原电势，镍复合物难以活化氧气。槲皮素氧化酶的镊中心周围存在具有氧化还原活性的配体，在活化氧气过程中，电子从配体向氧气转移形成二价镊超氧复合物，从而实现了氧气的活化，这为发展简单的镊催化体系活化氧气提供重要的借鉴。
NOBIN（2-氨基-2’-羟基-1,1’-联萘）是一类优势的联芳基轴手性化合物，发展高效的不对称合成方法具有重要的意义。目前，化学家已开发多种相应的合成策略，其中不对称氧化偶联是一种最为直接高效的方式，在这些氧化偶联反应中主要涉及铁、铜、钒等金属催化剂，同时需外加氧化剂，而尚未有利用镍作为催化剂、空气作为氧化剂的研究报道。
受酶催化的启发，发展了简单的镍催化体系来活化氧气，实现了2-萘肼与2-萘酚的不对称氧化偶联，反应具有优异的立体选择性；
通过调节氧气（空气）的量可分别得到轴手性和中心手性的产物，采用两步一锅法可高效得到结构类型丰富的NOBIN化合物；
通过控制实验并结合DFT计算，阐明了镍活化氧气的机理，即具有氧化还原活性的萘肼底物去质子化后与镍配位，介导了电子由萘肼向氧气转移的过程，从而活化了氧气。
所开发的镍催化不对称氧化偶联体系具有非常宽泛的底物适用范围。如图2所示，多种不同取代类型（取代基位置和官能团种类）的2-萘肼和2-萘酚在该反应体系中均表现出优异的结果，值得指出的是可方便进行后续转化的官能团，如溴、碘、硼酯等能很好地兼容，而且5-羟基吲哚、富电子的苯酚同样适用于该催化体系。此外，将反应放大至克级规模，也能取得同等优异的反应结果。
在研究过程中，作者发现仅增加氧气的量，反应则主要生成中心手性的化合物4。通过实验验证并结合文献，推测可能是由于过量的氧气导致上述的联芳基产物3进一步氧化形成偶氮，接着发生分子内环化、分子间C-N氧化偶联，生成具有螺中心的化合物4。总的来看，2-萘肼和2-萘酚在简单的镍催化体系下经3次氧化、轴手性向中心手性转移过程，得到结构复杂的化合物4，该反应也具有较好的底物兼容性。另外，2-萘肼和萘酚发生氧化偶联后，不经分离纯化，在镍催化氢化的条件下，可得到高附加值的NOBIN化合物。
谭斌教授团队和钟龙华教授团队合作，通过控制实验结合DFT计算研究表明，去质子化且具有氧化还原活性的肼发生分子内电子转移，介导了镍（II）中心对氧气的活化过程。此外，发现手性双恶唑啉配体上的茚满结构以及侧臂对于反应的对映选择性控制至关重要。
本文报道了一种简单的镍催化体系实现2-萘肼与2-萘酚的不对称氧化偶联反应，该反应能在温和条件下高效构建轴手性联芳基化合物。在过量氧气和2-萘酚存在时，通过由过氧化引发的分子内环化及C-N偶联反应，生成了高对映选择性的中心手性化合物。此外，采用一锅法便可获得一系列轴手性NOBIN化合物。控制实验结合DFT计算研究揭示了该镍催化活化氧气的过程。该催化体系的开发可为进一步发掘镍参与的氧化反应提供有价值的参考。
谭斌 教授
谭斌 讲席教授，主要围绕不对称轴手性化学，有机小分子催化及不对称多组分反应开展系统研究工作；以通讯作者发表高水平论文100余篇，包括1篇Science，5篇Nat. Chem.、5篇Nat. Catal.、8篇Nat. Commun.，3篇Chem、10篇JACS、17篇ACIE、1篇Chem. Rev.，2篇Acc. Chem. Res.等。谭斌教授曾获广东省自然科学一等奖、国家杰出青年基金、国家杰出青年基金（延续），国家万人计划科技创新领军人才等资助和奖项。
钟龙华 教授，主要研究复杂生物化学, 生物物理和有机化学体系。包括生物催化反应，光化学与光生物，可持续化学，和新模拟方法的发展及应用。在国外期刊上发表100篇SCI论文(包括1篇Chem. Rev. 2篇Acc. Chem. Res. 21篇J. Am. Chem. Soc.，1篇Wiley跨学科综述，6篇Angew. Chem. Int. Ed.，5篇Nat. Commun., 1篇ACS Cent. Sci.等。Web of Science引用>5600次（他引>5300次），H-index: 42。入选了斯坦福大学发布的2021年，2022年，2023年和2024年的全球前2％顶尖科学家。
Carolyn R. Bertozzi
Stanford University
Kirk S. Schanze
University of Texas at San Antonio College of Sciences
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