【人物与科研】华中科技大学钟芳锐教授课题组：氯化血红素催化苯酚-腙[3+3]氧化环加成高效构建1,3,4-噁二嗪衍生物

数量众多的含氮杂环化合物中，噁二嗪（oxadiazines）类化合物因六元环中同时含有两个氮原子和一个氧原子的独特结构而备受关注。其中，1,3,4-噁二嗪类化合物尤为重要，它们广泛存在于多种具有显著生物活性的药物及农用化学品中，例如商品化的Oxadin是保加利亚常用的对抗单纯性疱疹病毒的化学药物；茚虫威（Indoxacarb）是杜邦公司在20世纪末开发的针对鳞翅目害虫的新型钠通道阻断剂型杀虫剂（图1）。鉴于此，发展高效构建1,3,4-噁二嗪杂环化合物的方法对于“基于片段的药物发现”（fragment-based drug discovery）过程也具有重要意义。近日，华中科技大学化学与化工学院钟芳锐教授课题组基于酚类前体仿生氧化策略，以腙类化合物作为1,3-偶极子前体在氯化血红素催化下实现了苯酚-腙[3+3]氧化环加成反应，进而发展了一种高效构建1,3,4-噁二嗪类化合物的全新方法，具有条件温和、底物廉价易得、步骤经济性和原子经济性高的特点（Org. Lett., DOI: 10.1021/acs.orglett.0c02442）。

图 1 具有生物活性的代表性1,3,4-噁二嗪类衍生物

（来源：Organic Letters）

近年来，发展高效合成1,3,4-噁二嗪类化合物的方法备受合成化学家和药物学家的关注。然而，目前相关的合成方法十分局限，大部分都依赖于多步骤的分子间环化策略，面临着步骤繁琐、底物局限、产率和原子利用率低的弊端（图2a）；更具优势的单步骤分子间环化策略却鲜有涉及，其中的挑战在于可供选择的含有杂原子并且同时满足环化过程中三个杂原子按照1,3,4-顺序排列的合成子非常稀缺。为数不多的分子间环化方法中，醌醇（quinols）和azomethine imines的1,3-偶极环加成反应被证明是可行的（图2b），产物中的三个杂原子分别来源于两个合成子；此外，合适的同时含有三个杂原子的合成子也可通过[4+2]环化策略得到目标化合物（图2c）。尽管如此，前者需要借助稳定的环状azomethine imines作为1,3-偶极子，后者的反应物联烯酯在制备及储存上也存在一定困难。最近，Trofimov等人报道了酸催化下基于水合肼和6,8-二氧双环[3. 2. 1]辛烷的环加成反应，实现了复杂氧桥1,3,4-噁二嗪类化合物的非对映选择性构建（图2d）。尽管如此，真正实用的合成1,3,4-噁二嗪骨架的分子间环化方法仍然非常局限，尤其是直接利用廉价易得的起始原料。

图 2 合成1,3,4-噁二嗪化合物的方法

（来源：Organic Letters）

鉴于此，腙类化合物因其多样的反应性和容易制备的特点引起了我们的关注，例如腙类化合物可以作为优异的1,3-偶极子前体参与和烯烃及炔烃的[3+2]环化反应或者作为重氮试剂参与卡宾或类卡宾的反应（例如经典的Bamford–Stevens反应）。然而，这些反应几乎全部依赖于高活性的N-Ts或者N-Ac衍生的腙，与之对应的N-芳基腙却很少被涉及，特别是作为合成子参与环化反应。主要原因在于其较弱的N-H酸性不利于其通过分子内1,2-氢迁移过程形成1,3-偶极子，此外它显著的Lewis碱性也限制了其在Brønsted/Lewis酸催化中的应用。据此，我们设想醌类化合物可能具有足够的亲1,3-偶极特性使其与N-芳基腙发生分子间[3+3]环化反应，因为醌类分子同时含有亲电的双键和亲核的氧原子。

醌类化合物是有机合成中一类经典的亲电合成子，具有极其丰富的反应性，但其较高的反应性和亚稳特性极大限制了它们在有机合成中的应用，因而这些反应主要采用稳定性好且易于分离制备的1,4-醌类和N-Ts醌亚胺。至于活性更高的1,2-苯醌及其亚胺类衍生物则研究更少，但这类氧化反应在生命体中却十分普遍，例如酪氨酸酶、漆酶、过氧化酶等通过金属辅酶催化氧化酚生成醌中间体随后被亲核物种捕获。受此启发，作者基于仿生策略，以金属络合物作为天然金属辅酶的“替代品”，在绿色终端氧化剂作用下实现酚或氨基酚类前体催化氧化生成醌类中间体，进而“原位”调控中间体的反应性以及探究它们在复杂不对称催化反应中的应用（图3）。2019年，作者课题组报道了首例苯酚-吲哚在Mn/CPA接力催化下高对映选择性的[3+2]环化反应，实现了温和条件下高手性纯苯并呋喃并吲哚啉衍生物的构建（ACS Catal. 2019, 9, 7285-7291）；随后作者又利用氯化血红素（hemin）作为催化剂将该反应成功拓展到水相中进行，并由此发现hemin具有较强的Lewis酸性可促进N-Ts醌亚胺中间体与吲哚的环化（Org. Biomol. Chem. 2019, 17, 9994-9998）。除1,4-醌类中间体外，对于更具挑战的1,2-醌类中间体的调控，该策略也表现出巨大优势。最近，作者报道了邻氨基苯酚在无保护基存在下被Mn/H₂O₂高效氧化随后与烯胺发生[4+2]的反应，实现了高活性邻苯醌亚胺中间体的调控及三环苯并1,4-氮氧六环的构建（Chem. Commun. 2020, 56, 5965-5968）；然而，该策略在利用邻苯二胺作为底物时遇到一定挑战，目前作者折中仅实现了高价碘介导的邻苯二胺和烯烃的[4+2]环化反应（Org. Lett. 2020, 22, 2425−2430），对于实现其催化氧化的相关工作仍在继续。

图 3 课题组前期的部分研究成果

（来源：钟芳锐教授课题组）

为进一步拓展和丰富课题组在基于酚类前体绿色可持续氧化及醌类中间体反应性的调控和开发，作者利用4-氨基苯酚作为醌类前体，设计了基于仿生理念的酚-腙[3+3]氧化环化反应。具体说来，作者以N-Boc保护的氨基苯酚1a以及二苯甲酮衍生的腙2a为模型底物对反应的条件进行优化，影响反应的因素主要包括催化剂、氧化剂、溶剂以及反应物当量等。令作者惊喜的是，常见的铁盐包括FeCl₃、Fe(OTf)₃、Fe(ClO₄)₃、FeBr₃与TBHP组合后都能生成预期的产物，但产率不够满意（entries1-4）；与之对应的亚铁盐被证明都是不奏效的，但亚铁盐与一些大环的多齿配体配位后催化性能得到了很大提升（entries 5-7），这些结果促使我们尝试利用天然的hemin作为催化剂。经过一系列细致的筛选优化，最终确定以hemin和 H₂O₂作为催化剂和氧化剂的最佳组合，在2.5 equiv的2a反应物存在下室温下反应12 h可以88%的高产率得到目标化合物3aa。

表 1 反应条件的优化

（来源：Organic Letters）

在获得最佳的反应条件后，作者开始对反应的底物适用范围进行探究。多种带有不同电子效应取代基的二苯甲酮衍生的腙都能完美兼容，最终以60-92%的产率得到了预期产物3ab-3aq。值得注意的是，尽管产物分子中N,O-缩醛胺碳原子空间上较为拥挤，但并未对反应造成大的影响，尤其是含2-氟原子的产物3ab仍然保持较高的产率。另一个值得注意的是，反应具有一定的底物官能团兼容性，例如含羧基的产物3aj，尽管产率上略低。另外，反应对取代基的电子效应不敏感，强拉电子基（NO₂）以及给电子基（OMe）都能以高产率获得目标产物（3ai和3ae）。多取代的腙无论取代基在同一个苯环或是不同苯环都能保持可观的产率。此外，对于杂环取代或是脂肪酮衍生的腙都能顺利参与反应（3aq和3ar）。随后，作者对1,3,4-噁二嗪4-N位的芳环进行取代基修饰，多种不同电性的取代基在苯环任何位置都对反应影响甚微，特别是含CF₃官能团的底物可能造成其亲核性的降低，但似乎没有对反应造成太大影响。除了芳基肼外，烷基肼衍生的腙也能被用于该反应，但受限于底物的可获得性，此处仅展示了一个例子（3aa'，69%）。酚类底物的保护基主要还是集中在一些拉电子基团，例如Cbz，CO₂Et和Ts，这可能与拉电子基团能够稳定醌亚胺中间体以及增加中间体的亲电性有关。最后，作者还尝试对模型反应进行放大，当规模扩大十倍至1 mmol级别时，除反应时间延长外，产率上并无明显差异。综上所述，该反应具有底物范围广、官能团兼容性强以及可放大的特点。

图 4 反应的底物适用范围

（来源：Organic Letters）

为了探究反应的机理，作者设计了相应的控制实验。根据课题组前期的研究成果，作者推测反应涉及N-Boc醌亚胺中间体，首先底物1a可以在hemin/H₂O₂氧化条件下高效的转化为pQMI，广谱的自由基抑制剂例如TEMPO和BHT都能完全抑制这一过程，这表现出单电子转移的特征，即涉及酚氧自由基中间体；此外，文献表明hemin本身具有积聚的倾向造成其催化活性降低，而碱性条件有利于其解聚以及形成具有更高催化活性的μ-oxo-二聚体，这一结论在控制实验（b）中得以体现，NaOH存在的条件下，即使氧气也能高效地将底物氧化，更有意思的是自由基抑制剂TEMPO并不能抑制此反应，这可能由于NaOH将底物1a去质子化后增加了其电子云密度，更易于发生离子型的双电子转移过程，这与文献报道过的pH影响下的酚氧化过程结论一致。

另一方面，底物2a在氧化条件下几乎不发生转化，尽管它自身具有较高的电子云密度，这充分体现了该反应在氧化过程中的化学选择性；随后，作者进一步探究了中间体pQMI与腙环化步骤的机理，无论hemin存在与否反应都以近乎相同的速率和产率生成目标化合物，这也排除了hemin作为Lewis酸活化pQMI的可能，环化步骤更倾向于是一个自发进行的快速步骤。

图 5 机理探究实验

（来源：Organic Letters）

根据上述实验结果以及前期文献报道的基础上，作者提出了一个可能的反应机理，首先hemin与双氧水作用被氧化为高价态铁氧物种作为催化活性物质，随后从底物1a中攫取一个质子和一个电子生成酚氧自由基物种，再经一个单电子氧化过程最终生成中间体pQMI，该中间体一旦生成就迅速被腙2a捕获得到最终[3+3]环化的产物。

图 6 可能的反应机理

（来源：Organic Letters）

综上所述，作者发展了一种高效的hemin/H₂O₂催化体系成功实现了苯酚与腙的氧化[3+3]环加成反应，进而发展了一种新颖的构建1,3,4-噁二嗪衍生物的分子间环化方法。该方法具有催化剂、氧化剂和反应物廉价易得，操作简单、步骤经济性和原子经济性高以及条件温和的特点。此外，作者还通过引入无机碱NaOH发现了hemin在催化同一个反应时氧化机理上的差异，这些发现使得基于血红素的生物催化和传统合成化学之间的界限变得模糊，也丰富了天然金属卟啉化合物在参与氧化反应构建高附加值化合物上的应用。

该研究工作近期发表在有机化学专业期刊Org. Lett.上（Org. Lett., ASAP，DOI: 10.1021/acs.orglett.0c02442）。论文第一作者及主要实验部分由硕士研究生左鸿华完成，钟芳锐教授和吴国骄副研究员是本文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的资金资助。