大化所张涛院士团队李昌志研究员/北化雷鸣教授Angew：木质素基喹啉衍生物定向制备
发布者：雷鸣发布时间：2022-11-27浏览次数：11
论文链接：Transition‐Metal‐Free Synthesis of Functionalized Quinolines by Direct Conversion of β‐O‐4 Model CompoundsYangming Ding, Tenglong Guo, Zhewei Li, Bo Zhang, Fritz E. Kühn, Chang Liu, Jian Zhang, Dezhu Xu, Ming Lei, Tao Zhang, Changzhi LiAngew. Chem. Int. Ed., 2022, 61(38): e202206284
https://doi.org/10.1002/anie.202206284木质素降解方法主要包括氢解、氧化、酸/碱催化降解、微生物降解、热解、氧化-还原两步法等，以上手段都是通过断裂木质素C-O/C-C键生成只含C、H或O小分子化合物。除以上策略，通过杂原子如N原子参与解聚木质素获得高附加值含N芳香化学品成为木质素解聚新方向。目前，大多数策略局限于木质素解聚单体或氧化修饰后的β-O-4木质素模型化合物转化，生成相应环己胺和芳香胺类化学品（图1，路线1-2）。以上体系往往需要外加氢源或氧源，步骤相对复杂，产物类型受限。基于此，中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队李昌志研究员与北京化工大学雷鸣教授团队合作发展了一锅法利用有机胺参与解聚β-O-4木质素模型化合物定向制备喹啉衍生物新策略，避免对木质素预处理，操作过程简单；并且无外加氢源与氧源参与，原子经济性高。
该团队对木质素β-O-4模型化合物底物和邻氨基苄醇的普适性进行考察，图2显示，带不同官能团的木质素β-O-4模型化合物和邻氨基苄醇皆可有效转化为喹啉衍生物。说明：1）该体系对木质素模型化合物的C-O键断裂和喹啉环的构建中均具有较好的表现；2）该体系一锅实现多组分串联耦合反应，高选择性地获得喹啉衍生物；3）该体系可高收率副产芳香酚衍生物。
该团队通过羟基保护策略解聚木质素β-O-4聚合物定向制备喹啉衍生物，首先利用双铑催化剂将木质素β-O-4聚合物解聚为对羟基苯乙酮，再与苄溴反应使对羟基保护，生成化合物（6），再与2-氨基-4-氯苄醇反应生成最终喹啉衍生物（7）。
图3. 转化木质素β-O-4聚合物定向制备喹啉衍生物研究团队通过控制实验推测出反应路径（图4），首先木质素β-O-4模型化合物断裂解聚为苯乙酮8与愈创木酚4a，苯乙酮8与2-氨基-4-氯苄醇2a反应生成亚胺中间体12（I），再经历脱氢反应（II）生成化合物13后成环（III）获得喹啉衍生物3a；另两条可能的路径为2-氨基-4-氯苄醇脱氢为2-氨基-4-氯苯甲醛14（IV），苯乙酮与2-氨基-4-氯苯甲醛缩合反应生成化合物15（V）或13（VII），再成环脱水得到最终喹啉衍生物3a。
该团队对该反应机理进行了理论研究，计算结果表明，该反应经过中间体12的反应过程为优势反应路径，即沿着酮胺缩合（I）→脱氢（II）→C-C偶联（III）的反应途径（图5到图7）。并指出在酮胺缩合过程以及C-C偶联过程底物笼效应会有效地降低了C-O键断裂的反应自由能垒，脱氢过程中氧气作为该过程的氢受体，中间体12的脱氢过程为整个反应的决速过程，反应自由能能量跨度为22.9 kcal/mol（A9→TSA11-12）。
图5. 酮胺缩合反应过程的自由能面图（单位：kcal/mol）
图6. 脱氢反应过程的自由能面图（单位：kcal/mol）
图7. C-C偶联反应过程的自由能面图（单位：kcal/mol）该团队实现了一锅串联耦合反应，实现木质素模型化合物定向制备生物基喹啉衍生物这一创新路径。该体系具有鲜明特色：1）这是首例将木质素主要结构片段定向转化为喹啉衍生物反应体系；2）该反应无需外加氢源或氧源参与，一锅串联耦合反应，操作简便，原子经济性高。
目前，N参与解聚策略局限于木质素模型化合物，实现真实木质素转化为含氮芳香化合物极具挑战。下一阶段可利用多步反应或开发与设计多功能催化剂来攻克真实木质素定向制备高价值含氮芳香化合物的难题。该论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.，第一作者为大化所丁杨铭、郭腾龙博士和北化李哲伟，通讯作者为大化所李昌志研究员、北化雷鸣教授、大化所张波副研究员。
