近年来，上海交通大学张万斌团队与中国科学院上海有机化学研究所麻生明院士团队合作，利用双手性金属催化在化学反应性提升和化学、区域及立体选择性精准控制方面的强大优势，实现了多种联烯类化合物的高效不对称催化转化：高效合成了一系列高价值的含联烯部分的非天然四取代α-氨基酸（Chin. J. Chem. 2021, 39, 1958）；成功实现了挑战性的连续和非连续立体中心的立体发散性构建（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 12622; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202305680; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202218146；J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 9241）。近日，张万斌团队与麻生明院士团队再次合作，在Science期刊报道了一例配体控制的三组分组装，使用简单易得的芳基碘、联烯和醛亚胺酯，高效合成含有E-和Z-三取代烯烃的对映富集的非天然α-四取代氨基酸。通过协同双手性金属催化策略，首次利用π-烯丙基金属化学成功实现了烯烃构型和中心手性的完全立体控制，通过简单改变配体的种类和构型，便可顺利的获得产物的所有立体异构体[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]。该方案具有广阔的底物适用范围、良好的官能团耐受性、优异的Z-和E-选择性以及对映选择性。

自然界中生命的起源与演化依赖于二十种天然氨基酸。而将具有潜在生物正交活性的烯烃引入到α-氨基酸中，不仅能够极大地丰富其分子生物学效能，也为肽和蛋白质的后期快速修饰开辟了新的途径。此外，由于烯烃可以进行多种后期转化，这为结构多样的非天然α-氨基酸的快速合成提供了一个强大且通用的平台。由于具有不同立体化学（E和Z，R和S）的分子往往表现出截然不同的生物活性，因此，开发一种高效且通用的催化策略来构建含有烯烃的非天然α-氨基酸的所有立体异构体[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]具有重大的研究意义。    

长期以来，精准控制碳碳双键的Z/E构型一直是有机合成化学发展中最为基础且极具挑战性的研究课题之一，特别是当同时实现烯烃构型和中心手性的绝对和相对立体化学控制时，无疑将挑战性提升到了一个新的高度。在众多烯烃合成方法中，涉及π-烯丙基金属中间体的烯丙基化学为制备具有中心手性的E-或Z-烯烃化合物提供了一个直接的策略。然而在这类反应中由于难以精准调控所生成的烯丙基金属中间体的热力学和动力学性质，因此只能生成单一构型或Z/E混合构型的烯烃产物。迄今为止，通过选择性地形成或捕获anti-或syn-π-烯丙基金属中间体，从而发散性地合成E-和Z-烯烃的目标尚未实现，仍然是一个亟待攻克的难题。此外，使用相同的起始原料，以完全立体发散的方式合成一系列对映富集的E-和Z-烯烃[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]使这一目标更具挑战性。    

图1：通过π-烯丙基金属化学实现含三取代烯烃的非天然α-四取代氨基酸的立体发散性合成

首先，作者选用碘苯1a、4-甲基苯基联烯2a和醛亚胺酯3a作为模型底物，Cs₂CO₃作为碱，1,2-二氯乙烷作为溶剂，系统评估了两种手性金属催化剂。在Cu/(R,R_p)-L1与Pd/(R)-L2催化剂组合下，含有Z-三取代烯烃的非天然α-氨基酸(Z)-4a能以92%的产率以及97:3 E/Z和99% ee获得。在Cu/(R,R_p)-L1与Pd/(S_p,R)-L3催化剂组合下，含有E-三取代烯烃的非天然α-氨基酸(E)-4a能以89%的产率、98:2 E/Z和98% ee获得。在确定了最优Z-和E-反应条件之后，作者对底物普适性进行考察。如图2所示，无论苯环的对位和间位是给电子基团还是吸电子基团，都显示出优良的耐受性，并能以良好的产率得到相应的产物（4b-4p），同时表现出优秀的E-和Z-选择性（96:4至>99:1 E/Z和92:8至98:2 Z/E）以及对映选择性（95%至>99% ee）。另外，如果碘苯邻位存在取代基（1q和1r），反应则无法进行，这可能是由于位阻的原因阻碍了碘苯的氧化加成或迁移插入过程。一系列含有杂（芳）环取代的芳基碘化物都适用于该反应，并能以良好到优秀的产率、E/Z-选择性以及对映选择性得到相应的产物（4s-4aa）。接下来，作者将碘苯用多种市售的药物和生物活性分子进行修饰，包括萘普生、布洛芬、冰片、薄荷醇、吡喃半乳糖、呋喃核糖基嘌呤、香茅醇、吉非罗齐，δ-生育酚以及甾体化合物如脱氢表雄酮、胆固醇和雌酮。这些底物都能在该反应中顺利转化，以优秀的Z-和E-选择性以及非对映选择性（＞20:1 dr）高效率地得到目标产物（5a-5l）。    

   图2：芳基碘化物底物拓展

随后，作者考察了一系列芳基和杂芳基取代联烯2的底物适用性（图3）。结果表明，这些联烯底物都能顺利进行反应，并以中等到高产率得到相应的E-和Z-三取代烯烃（6b-6s），具有优异的Z-和E-选择性和对映选择性。环己烯取代的联烯（2t）也与该双催化体系相容，为快速合成含有α,α-双取代氨基酸的共轭二烯提供了有效途径。此外，烷基取代的联烯同样也是该反应的有效底物，以良好的反应结果生成所需的产物6u-6y，并且没有观察到β-H消除副产物的形成，但是产物的Z-选择性有所降低。    

接下来，作者评估了一系列源于天然和非天然氨基酸的α-取代醛亚胺酯底物3，并以立体发散的方式成功制备了一系列新颖的含有Z-和E-三取代烯烃的非天然氨基酸（如图3所示）。可以看到烷基和苄基取代的醛亚胺酯底物在标准反应条件下都能反应良好，高产率地得到相应的产物7b-7e，且具有良好的Z-和E-选择性以及对映选择性。此外，多种容易进行后期修饰且在生物活性分子中常见的官能团，如酯（3f、3g和3l）、叔丁基醚（3h）、烯丙基（3i）、氟代烷烃（3j）、硫醚（3k）、苯基（3m），烯烃（3n）和酰胺（3o和3p），都能在标准的Z-和E-反应条件下表现出良好的耐受性，并以较高的产率（86%至99%），优异的Z-和E-选择性（97:3至>99:1 E/Z和94:6至98:2 Z/E）以及对映选择性（87%至99% ee）生成相应的产物（7f−7p）。    

图3：联烯与醛亚胺酯底物拓展

接着，作者从相同的起始原料出发，通过简单改变配体的种类和构型变实现了目标产物4a的所有立体异构体的立体发散性合成。为了进一步验证该产物的合成价值，作者将所得到的Z-和E-产物的氨基酸酯和C=C双键部分进行了一系列转化，合成了多种高附加值的衍生物（图4）。首先，作者对4a的氨基酯部分进行了官能团转化，成功地合成了一系列常规途径难以制备的含有Z-和E-三取代烯烃的b-氨基醇8、二肽9、异氰酸酯10和脲类衍生物11。此外，作者也对产物(Z)-4a的三取代烯烃部分成功进行了烯烃环氧化和加氢。有意思的是，利用乙腈/NBS/Na₂CO₃体系，(Z)-4a或(E)-4a可转化为具有多个立体中心的g-丁内酯衍生物14和15，且是一对非对映异构体，具有良好的产率和优异的非对映选择性。最后，作者选用(E)-6u作为底物，在碱性条件下，实现了含有E-烯烃的9元含氮杂环16的高效合成。    

图4：立体发散性合成、放大量实验及产物转化

机理研究

为了深入理解Z-和E-选择性的来源，作者进行了详细的机理研究。首先，作者在标准的Z-和E-选择性条件下分别进行了时间监测实验。实验结果显示，随着反应的进行，产物(Z)-7b和(E)-7b的Z/E比和ee值均保持在较高水平，并未出现明显的变化。这些结果表明，在该双催化体系中，三取代烯烃的构型较为稳定，并未发生Z/E异构化，进一步证实了配体在该双催化体系中对立体选择性的关键控制作用。作者成功合成并分离出了anti-π-烯丙基-Pd/L3中间体17，并通过X射线衍射分析确认了其结构（图5A）。此外，作者将17置于50°C下，通过³¹P NMR进行监测，即便在36小时后，也没有明显观察到anti-π-烯丙基钯的异构化过程。随后，作者将化学计量的17投入到标准反应体系中，结果得到了几乎完全E-选择性的产物4a（图5A）。这些结果表明，anti-π-烯丙基钯中间体17具有较高的热力学稳定性，可直接被外部的亲核试剂捕获，从而高选择性的获得E-产物。作者还合成了Z-与E-构型的2-苯基肉桂基碳酸酯18/19。这些底物能通过钯催化的离子化过程，形成初始的syn-或anti-π-烯丙基钯中间体。在标准的E-选择性反应条件下作者分别对这些底物进行了评估，发现无论是使用(Z)-18/19还是(E)-18/19，都能以优异的E-选择性得到目标产物(E)-6b和(E)-20（图5B）。随后，作者选用氟代底物(E)-和(Z)-19作为反应物与原位生成的Pd⁰/L3物种反应，并通过³¹P NMR和¹⁹F NMR分析研究了syn-与anti-π-烯丙基-Pd/L3中间体的转化过程。实验观察发现，(Z)-19主要形成anti-π-烯丙基钯中间体，并且随着时间的延长，浓度逐渐增多。而(E)-19首先生成syn-π-烯丙基钯中间体，但会快速的转化成anti-π-烯丙基钯中间体。这些结果表明，anti-π-烯丙基-Pd/L3中间体是热力学有利的。    

为了进一步理解Pd/L3催化体系中E-选择性的起源，作者还进行了动力学实验和DFT计算研究（图5C）。作者首先测试了三种不同浓度的铜催化剂对该三组分反应的初始反应速率的影响。实验结果表明，反应速率对铜催化剂浓度呈零级依赖性，表明亲核进攻过程不是该反应的限速步骤。该机理实验也暗示着联烯的迁移插入是立体决定步骤。DFT计算结果表明，IM-(anti)-4ab的形成能垒比IM-(syn)-4ac的形成能垒低10.48 kcal/mol [TS-(E)-3ab vs TS-(E)-3ac]。因此，铜螯合的亲核试剂Nu通过TS-(anti)-4ab攻击阳离子中间体IM-(anti)-4ab，生成主要产物(E)-6b。计算结果与实验结果吻合较好。上述实验和计算结果表明，迁移插入步骤是E-选择性立体控制步骤，动力学和热力学有利的anti-π-烯丙基-Pd/L6中间体IM-(anti)-4ab优先生成。随后，阳离子中间体IM-(anti)-4ab可以被亲核试剂直接捕获从而生成E-选择性产物。    

在Pd/L2催化体系下，作者未能分离得到syn-π-烯丙基-Pd/L2中间体，但通过高分辨质谱（HRMS）和³¹P NMR成功捕获到该反应进程中多个关键中间体分子量。为了进一步理解Pd/L2催化体系下Z-选择性来源，作者首先在标准的Z-选择性反应条件下分别底物(Z)-/(E)-18进行了评估，所获得的产物6b的Z-选择性几乎都在9:1左右（图5D）。此外，肉桂基碳酸酯18和联烯底物2a的动力学研究表明，syn-和anti-π-烯丙基-Pd/L2中间体都可形成并且可以快速地相互转化。这些实验结果证明亲核进攻是立体决定步骤。DFT研究表明，π-烯丙基-Pd/L2中间体IM-(anti)-4c与IM-(syn)-4h之间能通过碘离子促进的η³-η¹-η³过程发生相互转化（图5E，下）。并且，由于(Z)-6b的生成能垒比(E)-6b低1.51 kcal/mol [TS-(anti)-4c vs TS-(syn)-4h]。因此，亲核试剂选择性进攻IM-(syn)-4h从而获得较高的Z-选择性，与实验结果一致。所有的机理研究结果表明，亲核进攻是Z-选择性立体控制步骤，获得Z-选择性的具体途径如下：anti和syn-π-烯丙基-Pd/L2中间体IM-(anti)-4c和IM-(syn)-4h都可经联烯迁移插入步骤形成。随后，anti-π-烯丙基-Pd/L2中间体IM-(anti)-4c通过η³-η¹-η³过程转化为syn-π-烯丙基-Pd/L2中间体IM-(syn)-4h。最后，IM-(syn)-4h被亲核试剂Nu选择性捕获，从而得到Z-选择性产物。

为了进一步理解手性钯和手性铜催化剂对E/Z选择性和对映选择性的影响，作者展开了一系列配体控制实验。实验结果表明手性铜催化剂在Pd/L2和Pd/L3催化体系下都在对映选择性方面占主导作用。同时，作者还发现将(R)-L2或(S_p,R)-L3的构型替换为(S)-L2或(R_p,S)-L3时，还出现了明显的匹配/不匹配效应。值得注意的是，在Pd/L3催化体系下更换铜催化剂的配体时，对该反应的E-选择性影响较小，暗示着迁移插步骤入主导了E-选择性控制；而在Pd/L2催化体系下，铜配体对Z-选择性有极大的影响，暗示着亲核进攻步骤在Z-选择性控制发面发挥了重要作用。这些结论与上述实验和计算结果相符。   

图5：机理研究

综上，该工作通过双手性金属协同催化，成功地实现了烯烃构型和中心手性的综合控制。该研究不仅解决了烯丙基金属化学中对C=C键Z/E构型立体控制的长期挑战，而且为含有Z-和E-烯烃部分的光学纯分子的立体发散合成提供了一个潜在的通用策略。此外，探索含有三取代烯烃部分的非天然α-四取代氨基酸[(E,R), (Z,R), (E,S), (Z,S)]的所有立体异构体，为药物设计以及蛋白质和肽修饰提供了更多的选择。

这一成果近期发表在Science上，文章的第一作者是上海交通大学博士生李盼盼，通讯作者是上海交通大学张万斌教授和中国科学院上海有机所/复旦大学麻生明院士。

Stereodivergent access to non-natural a-amino acids via enantio- and Z/E-selective catalysis

Panpan Li, En Zheng, Guanlin Li, Yicong Luo, Xiaohong Huo, Shengming Ma*, Wanbin Zhang*

Science 2024, 385, 972-979. 

DOI: 10.1126/science.ado4936