Nature：世界首例！控制氧立体中心！
学研汇 技术中心
2023-04-17
特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。四面体碳立体中心的控制仍然是现代合成化学的一个焦点，这得益于它们的构型稳定性。相比之下，三取代的氮、磷和硫化合物发生锥体反转，这是一种被广泛利用的基本和公认的立体化学现象。然而，氧鎓离子（一个带正电的氧原子上有三个取代基的化合物）的立体化学发展得很差，除了作为活性中间体存在外，氧鎓离子在合成中的应用很少。目前还没有氧原子是唯一立体中心的结构稳定的氧鎓离子的例子，这可能是由于氧锥体反转的势垒很低，而且所有的氧鎓离子都是高活性的。在这里，牛津大学Martin D. Smith等人描述了一个螺旋手性三芳氧鎓离子的设计、合成和表征，其中通过几何限制防止氧孤对的反转，使其能够作为构型的决定因素。合成和量子计算相结合的方法描述了能够生成构型稳定和室温可分的盐的设计原则。结果表明，反演势垒大于110 kJ mol−1，并概述了反演过程。据我们所知，这是唯一一个手性非消旋且构型稳定的分子，其中氧原子是唯一的立体中心。对三价氧化合物的反转势垒的唯一经验测量是环氧化合物衍生的氧鎓盐，其反转势垒为42 kJ mol−1，大大低于在环境温度下保持构型稳定性所需的势垒。因此，没有实例表明，在分离富对映体氧离子时，氧原子是唯一的立体中心。用不同长度和灵活性的连接剂连接三芳基氧鎓支架中的芳香环，可以增加氧反转的屏障，同时也能保持其他三芳基氧鎓离子所表现出的稳定性。足够高的对映体化势垒将在实验室时间尺度上有效地锁定立体生氧孤对的构型，并生成螺旋手性分子。
作者选择二苯并呋喃-黄蒽支架进行研究，因为黄蒽骨架中的CH2质子可以作为报告基团，通过变温1H NMR波谱测量反转势垒。从商业材料中制备了功能化的黄烯以及与4,6-二甲基-2-溴苯胺交叉偶联得到联芳基。结果表明在与苯并呋喃环融合时存在一定的角度应变，尽管这似乎并不影响化合物的稳定性，无需特殊预防措施即可在室温下无限期储存。使用低温1H NMR光谱确定对映体化势垒为58.3 kJ mol−1，这大大低于使构型稳定的分子分离所需的107 kJ mol−1。作者利用量子化学计算了氧鎓离子的反转障碍以阐明化合物的势垒大小和反应性。
基于理论计算的指导，作者将注意力集中在含七环化合物的合成上，将二苯并西平与芳基硼酯交叉偶联，得到了产率为67%的含联芳基中间体，通过单晶X射线衍射研究证实了立体化合物的结构，说明了预期的oxepin环的折叠构象和原子在氧周围的锥体排列。
实验确定的化合物的反演势垒与计算预测的势垒接近。作者展示了该氧鎓离子可逆对映体反应的计算反应能分布，这表明P-(R)OA的对映体化过程包括一个高势垒螺旋反转和一个与七元环相关的低势垒构象弛豫。为了研究杂原子的身份如何影响反转势垒，对这类氧鎓离子及其氮类似物进行了计算研究。计算得到的三芳基氧鎓离子的反转势垒系统地高于三芳基胺离子。对于氮类似物，反演TS结构中存在较大的孤对离域。这与对二氢二苯并西平氧鎓(ΔG‡inv=117.0 kJ mol−1)和二氢二苯并西平(ΔG‡inv=99.7 kJ mol−1)体系的计算一致，表明势垒高度既取决于环结构提供的几何约束，也取决于杂原子的同一性。
Smith, O., Popescu, M.V., Hindson, M.J. et al. Control of stereogenic oxygen in a helically chiral oxonium ion. Nature 615, 430–435 (2023).DOI：10.1038/s41586-023-05719-zhttps://doi.org/10.1038/s41586-023-05719-z
