Ứng Dụng Công Nghệ Kích Hoạt Iminium Trong Tổng Hợp Sản Phẩm Tự Nhiên

• Tác giả: Nicole Cathleen Goodwin
• Người hướng dẫn: Dave MacMillan
• Trường học: California Institute of Technology
• Chuyên ngành: Philosophy
• Đề tài: Công Nghệ Kích Hoạt Iminium Trong Tổng Hợp Sản Phẩm Tự Nhiên
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Pasadena

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: ENANTIOSELECTIVE LUMO-LOWERING ORGANOCATALYSIS
• 1.1. A General Approach to Enantioselective LUMO-lowering catalysis
• 1.2. Chiral imidazolidinones as privileged organocatalysts
• 1.3. Summary of Thesis Research
• 2. CHƯƠNG 2: TOTAL SYNTHESES OF THE SPICULISPORIC ACIDS: EXPLOITATION OF THE ORGANOCATALYTIC VINYLOGOUS MUKAIYAMA-MICHAEL ADDITION
• 2.1. γ-Butanolide architecture
• 2.2. The Mukaiyama-Michael reaction
• 2.3. Mukaiyama-Aldol versus Mukaiyama-Michael addition
• 2.4. Scope of the organocatalytic Mukaiyama-Michael reaction
• 2.5. Total Syntheses of the Spiculisporic Acids
• 2.5.1. Investigation of key organocatalytic Mukaiyama-Michael reaction
• 2.5.2. Completion of 5-epi-spiculisporic acid
• 2.5.3. Completion of spiculisporic acid
• 2.6. Proposed Explanation for the Change in Diastereoselectivity
• 2.6.1. Approach of the nucleophile onto the iminium system
• 2.6.2. Mukaiyama-Michael into methyl-4-oxobutenoate
• 2.6.3. Mukaiyama-Michael into tert-butyl-4-oxobutenoate
• 2.6.4. Mukaiyama-Michael into crotonaldehyde
• 2.6.5. Another transition state consideration
• 2.7. Conclusion
• Supporting Information
• 3. CHƯƠNG 3: PROGRESS TOWARDS THE TOTAL SYNTHESIS OF CYLINDROCYLOPHANE F: INVESTIGATIONS INTO A NOVEL B-ALKYL SUZUKI CROSS-COUPLING
• 3.1. Introduction to the Cylindrocyclophanes
• 3.1.1. Isolation and structure determination
• 3.1.2. Proposed biosynthesis of the cylindrocyclophanes
• 3.1.3. Previous Synthetic Efforts to the Cylindrocyclophanes
• 3.1.3.1. Albizati’s approach to a cylindrocyclophane model
• 3.1.3.2. Trost’s approach to cylindrocyclophane A
• 3.1.3.3. Hoye’s approach to cylindrocyclophane A
• 3.1.3.4. Smith’s synthesis of cylindrocyclophanes A and F
• 3.2. First-Generation Approach to Cylindrocyclophane F
• 3.2.1. Suzuki cross-couplings of aryltrimethylanilinium salts
• 3.2.2. B-alkyl Suzuki cross-coupling Investigations
• 3.2.3. Proposed catalytic cycle to explain nickel-catalyzed demethylation
• 3.2.4. Retrosynthetic strategy for cylindrocyclophane F
• 3.2.5. Synthesis of a dimerization precursor
• 3.2.6. Myers’ reductive alkylation strategy
• 3.2.7. Wittig olefination strategy
• 3.2.8. Julia-Lythgoe olefination strategy
• 3.3. Second-Generation Approach to Cylindrocyclophane F
• 3.3.1. Revised retrosynthetic strategy
• 3.3.2. Investigations into the Suzuki dimerization
• 3.3.3. Reassessment of the B-alkyl Suzuki cross-coupling
• Supporting Information
• 4. CHƯƠNG 4: PROGRESS TOWARDS THE TOTAL SYNTHESIS OF CYLINDROCYLOPHANE A: CROSS-COUPLING WITH AN ALKENYL POTASSIUM TRIFLUOROBORATE SALT
• 4.1. A New Synthetic Target: Cylindrocyclophane A
• 4.2. Revisiting the cross-coupling of trimethylanilinium salts
• 4.3. Retrosynthetic strategy for cylindrocyclophane A
• 4.4. Organocatalytic 1,4-Hydride Reduction of α,β-Unsaturated Aldehydes
• 4.5. Synthesis of Potassium Trifluoroborate Cross-Coupling Substrates
• 4.5.1. Electron-withdrawing protecting group strategy
• 4.5.2. A bulky silyl group as a choice of protecting group
• 4.5.3. Ethers as base-stable protecting groups
• 4.5.4. Isoprenyl functionality in the cross-coupling
• 4.6. Synthesis of Trimethylanilinium Salts with Different Functionalities
• 4.6.1. Protected alcohols as oxidation state substrates
• 4.6.2. Electron-withdrawing group on the alkyl chain
• 4.6.3. Simple alkenyl functionality on the alkyl chain
• 4.7. Investigation into Suzuki Cross-Couplings with Fully Functionalized N,N,N-Trimethylanilinium Triflates
• 4.7.1. Cross-coupling with substitution in the 4-position
• 4.7.2. Exploration into the role of functionality on the anilinium salt
• 5. CHƯƠNG 5: A FORMAL SYNTHESIS OF CYLINDROCYLOPHANE A
• 5.1. Revisiting the olefin isomerization problem
• 5.1.1. Trimethylanilinium salts
• 5.1.2. Transmetalation data
• 5.2. Progress Towards the Total Synthesis of Cylindrocyclophane A
• 5.2.1. Retrosynthetic strategy
• 5.2.2. Stille cross-coupling with trimethylanilinium salt
• 5.2.3. Diastereoselective allylic alkylation with chiral hydrazones
• 5.2.4. Asymmetric allylic alkylation using the Tsuji reaction
• 5.2.5. A Formal Synthesis of Cylindrocyclophane A
• LIST OF SCHEMES
• LIST OF FIGURES

I. Tổng Quan Công Nghệ Kích Hoạt Iminium Cơ Chế Ứng Dụng

Công nghệ kích hoạt iminium là một phương pháp organocatalysis mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ. Nó dựa trên việc tạo ra một iminium ion hoạt hóa từ một aldehyde hoặc ketone và một chất xúc tác amine. Iminium ion này sau đó phản ứng với một nucleophile, tạo ra một sản phẩm mới. Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng thực hiện các phản ứng tổng hợp bất đối xứng với độ chọn lọc cao, sử dụng các chất xúc tác chiral. Cơ chế phản ứng thường bao gồm sự hình thành iminium ion, tấn công của nucleophile, và giải phóng chất xúc tác. Công nghệ này đã được ứng dụng thành công trong tổng hợp toàn phần nhiều sản phẩm tự nhiên phức tạp.

1.1. Cơ chế hình thành Iminium và vai trò của chất xúc tác

Sự hình thành iminium ion là bước quan trọng đầu tiên. Chất xúc tác amine, thường là một amine thứ cấp chiral, tấn công vào nhóm carbonyl của aldehyde hoặc ketone, tạo thành một iminium ion trung gian. Chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ chọn lọc của phản ứng. Các chất xúc tác chiral tạo ra một môi trường lập thể đặc biệt, ưu tiên một trong hai enantiomer của sản phẩm. Hiệu quả xúc tác phụ thuộc vào cấu trúc của chất xúc tác và điều kiện phản ứng. Dung môi và nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ và độ chọn lọc của phản ứng.

1.2. Ứng dụng của Iminium Catalysis trong phản ứng C C

Công nghệ kích hoạt iminium đặc biệt hữu ích trong việc hình thành liên kết C-C mới. Các phản ứng như phản ứng Diels-Alder, phản ứng Michael, và phản ứng Mannich có thể được xúc tác bởi iminium ion. Trong phản ứng Michael, iminium ion hoạt hóa một α,β-unsaturated carbonyl compound, làm cho nó dễ bị tấn công bởi một nucleophile carbon. Điều này cho phép tổng hợp chọn lọc lập thể các phân tử phức tạp. Các phản ứng này thường được sử dụng trong tổng hợp các loại sản phẩm tự nhiên khác nhau.

II. Thách Thức Hạn Chế Của Công Nghệ Iminium Catalysis

Mặc dù công nghệ kích hoạt iminium mang lại nhiều lợi ích, nó cũng đối mặt với một số thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là việc kiểm soát độ chọn lọc trong các phản ứng phức tạp. Sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn có thể làm giảm hiệu suất phản ứng. Ngoài ra, một số phản ứng có thể nhạy cảm với điều kiện phản ứng, chẳng hạn như ảnh hưởng của dung môi và ảnh hưởng của nhiệt độ. Việc tìm kiếm các chất xúc tác mới và cải tiến các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để vượt qua những hạn chế này. Cần nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng iminium để tối ưu hóa các quy trình tổng hợp hữu cơ.

2.1. Vấn đề kiểm soát độ chọn lọc và hiệu suất phản ứng

Kiểm soát độ chọn lọc là một thách thức lớn trong công nghệ iminium catalysis. Sự hình thành các sản phẩm phụ diastereomeric hoặc enantiomeric có thể làm giảm hiệu suất phản ứng. Điều này đặc biệt đúng trong các phản ứng với các chất nền phức tạp hoặc khi có nhiều trung tâm chiral. Việc lựa chọn chất xúc tác phù hợp và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được độ chọn lọc cao. Các nghiên cứu về cơ chế phản ứng có thể giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến độ chọn lọc.

2.2. Ảnh hưởng của dung môi và nhiệt độ đến phản ứng

Ảnh hưởng của dung môi và ảnh hưởng của nhiệt độ có thể đáng kể đến tốc độ và độ chọn lọc của phản ứng iminium catalysis. Dung môi có thể ảnh hưởng đến sự hòa tan của các chất phản ứng, sự ổn định của iminium ion, và sự tương tác giữa chất xúc tác và chất nền. Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và sự ổn định của các sản phẩm. Việc lựa chọn dung môi và nhiệt độ phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa phản ứng. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của dung môi và ảnh hưởng của nhiệt độ có thể giúp xác định các điều kiện phản ứng tối ưu.

III. Phương Pháp Mới Iminium Catalysis Trong Môi Trường Vi Sóng

Một phương pháp mới nổi trong lĩnh vực iminium catalysis là sử dụng phản ứng vi sóng. Phản ứng vi sóng có thể làm tăng tốc độ phản ứng và cải thiện hiệu suất phản ứng so với các phương pháp truyền thống. Điều này là do phản ứng vi sóng có thể tạo ra nhiệt cục bộ, làm tăng tốc độ của các bước phản ứng quan trọng. Ngoài ra, phản ứng vi sóng có thể giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong tổng hợp nhiều sản phẩm tự nhiên phức tạp. Nghiên cứu sâu hơn về phản ứng vi sóng trong iminium catalysis có thể mở ra những con đường mới cho tổng hợp hữu cơ.

3.1. Ưu điểm của phản ứng vi sóng so với phương pháp truyền thống

Phản ứng vi sóng mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống. Tốc độ phản ứng thường nhanh hơn đáng kể, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng. Hiệu suất phản ứng cũng có thể được cải thiện do giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ. Phản ứng vi sóng có thể được thực hiện trong các điều kiện nhẹ nhàng hơn, giảm nguy cơ phân hủy các chất phản ứng hoặc sản phẩm. Điều này làm cho phản ứng vi sóng trở thành một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ.

3.2. Ứng dụng phản ứng vi sóng trong tổng hợp sản phẩm tự nhiên

Phản ứng vi sóng đã được ứng dụng thành công trong tổng hợp nhiều sản phẩm tự nhiên phức tạp. Các phản ứng như phản ứng Diels-Alder, phản ứng Michael, và phản ứng Mannich có thể được xúc tác bởi iminium ion trong điều kiện phản ứng vi sóng. Điều này cho phép tổng hợp nhanh chóng và hiệu quả các phân tử phức tạp. Các nghiên cứu về ứng dụng của iminium trong phản ứng vi sóng đang tiếp tục mở rộng, hứa hẹn nhiều khám phá mới trong tương lai.

IV. Ứng Dụng Iminium Catalysis Trong Tổng Hợp Alkaloid Terpenoid

Công nghệ kích hoạt iminium đã chứng minh tính hiệu quả cao trong tổng hợp các alkaloid và terpenoid, hai lớp sản phẩm tự nhiên quan trọng. Các phản ứng tổng hợp bất đối xứng sử dụng iminium catalysis cho phép xây dựng các khung carbon phức tạp với độ chọn lọc cao. Điều này đặc biệt quan trọng trong tổng hợp các alkaloid và terpenoid có nhiều trung tâm chiral. Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc phát triển các chất xúc tác mới và cải tiến các điều kiện phản ứng để tăng hiệu suất phản ứng và độ chọn lọc.

4.1. Tổng hợp bất đối xứng Alkaloid sử dụng Iminium Catalysis

Tổng hợp bất đối xứng các alkaloid là một lĩnh vực quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Iminium catalysis cung cấp một phương pháp mạnh mẽ để xây dựng các khung carbon phức tạp của alkaloid với độ chọn lọc cao. Các phản ứng như phản ứng Mannich và phản ứng Michael có thể được xúc tác bởi iminium ion để tạo ra các liên kết C-C mới. Việc lựa chọn chất xúc tác chiral phù hợp là rất quan trọng để đạt được độ chọn lọc cao trong tổng hợp alkaloid.

4.2. Ứng dụng Iminium Catalysis trong tổng hợp Terpenoid

Terpenoid là một lớp sản phẩm tự nhiên đa dạng với nhiều ứng dụng quan trọng. Iminium catalysis đã được sử dụng thành công trong tổng hợp nhiều terpenoid phức tạp. Các phản ứng như phản ứng Diels-Alder và phản ứng vòng hóa có thể được xúc tác bởi iminium ion để xây dựng các khung carbon đặc trưng của terpenoid. Việc phát triển các chất xúc tác mới và cải tiến các điều kiện phản ứng đang tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng của iminium catalysis trong tổng hợp terpenoid.

V. Nghiên Cứu Mới Tổng Hợp Spiculisporic Acid Nhờ Iminium

Nghiên cứu của Nicole Cathleen Goodwin đã tập trung vào việc ứng dụng công nghệ kích hoạt iminium trong tổng hợp toàn phần spiculisporic acid. Phản ứng Mukaiyama-Michael vinylogous xúc tác bởi organocatalyst chiral imidazolidinone đã được sử dụng để tạo ra các y-butenolide enantioenriched, một motif quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Nghiên cứu này đã chứng minh tính hiệu quả của iminium catalysis trong việc xây dựng các phân tử phức tạp với độ chọn lọc cao. Các kết quả này mở ra những con đường mới cho tổng hợp các sản phẩm tự nhiên khác.

5.1. Phản ứng Mukaiyama Michael Vinylogous xúc tác bởi Iminium

Phản ứng Mukaiyama-Michael vinylogous là một phản ứng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Nghiên cứu của Goodwin đã sử dụng organocatalyst chiral imidazolidinone để xúc tác phản ứng này, tạo ra các y-butenolide enantioenriched. Phản ứng này cho phép xây dựng các phân tử phức tạp với độ chọn lọc cao. Các kết quả này chứng minh tính hiệu quả của iminium catalysis trong việc tạo ra các liên kết C-C mới.

5.2. Ứng dụng trong tổng hợp Spiculisporic Acid và các dẫn xuất

Phản ứng Mukaiyama-Michael vinylogous xúc tác bởi iminium đã được sử dụng để tổng hợp spiculisporic acid và các dẫn xuất của nó. Điều này chứng minh tính hiệu quả của công nghệ kích hoạt iminium trong việc xây dựng các sản phẩm tự nhiên phức tạp. Các kết quả này mở ra những con đường mới cho tổng hợp các sản phẩm tự nhiên khác có cấu trúc tương tự.

VI. Tương Lai Của Công Nghệ Iminium Hướng Phát Triển Ứng Dụng

Công nghệ kích hoạt iminium tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động với nhiều hướng phát triển tiềm năng. Việc phát triển các chất xúc tác mới với hiệu quả xúc tác cao hơn và độ chọn lọc tốt hơn là một ưu tiên hàng đầu. Ngoài ra, việc khám phá các ứng dụng mới của iminium catalysis trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên, dược phẩm, và vật liệu là rất quan trọng. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phản ứng iminium và ảnh hưởng của các yếu tố môi trường có thể giúp tối ưu hóa các quy trình tổng hợp hữu cơ.

6.1. Phát triển chất xúc tác Iminium mới với hiệu quả cao

Việc phát triển các chất xúc tác iminium mới với hiệu quả xúc tác cao hơn và độ chọn lọc tốt hơn là một mục tiêu quan trọng. Các chất xúc tác mới có thể cho phép thực hiện các phản ứng khó khăn hơn hoặc cải thiện hiệu suất phản ứng và độ chọn lọc của các phản ứng hiện có. Các nghiên cứu về thiết kế và tổng hợp chất xúc tác chiral đang tiếp tục mở rộng, hứa hẹn nhiều khám phá mới trong tương lai.

6.2. Ứng dụng Iminium Catalysis trong dược phẩm và vật liệu

Iminium catalysis có tiềm năng lớn trong tổng hợp các dược phẩm và vật liệu mới. Các phản ứng tổng hợp bất đối xứng sử dụng iminium catalysis có thể được sử dụng để tạo ra các phân tử chiral với hoạt tính sinh học hoặc tính chất vật liệu đặc biệt. Việc khám phá các ứng dụng mới của iminium catalysis trong các lĩnh vực này có thể mang lại những lợi ích đáng kể cho xã hội.