Enantiodiscriminazione conformazionale per la costruzione asimmetrica di atropisomeri

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4735 (2022) Citare questo articolo

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Le conformazioni molecolari indotte dalla rotazione attorno ai singoli legami svolgono un ruolo cruciale nelle trasformazioni chimiche. Rivelare la relazione tra le conformazioni dei catalizzatori chirali e l'enantiodiscriminazione è una sfida ardua a causa della grande difficoltà nell'isolare i conformeri. Qui, riportiamo un sistema catalitico chirale composto da un'unità achirale cataliticamente attiva e un'unità assialmente chirale 1,1′-bi-2-naftolo (BINOL) che sono collegate tramite un singolo legame C – O. I due conformeri del catalizzatore indotti dalla rotazione attorno al legame C – O, vengono determinati tramite diffrazione di raggi X da cristallo singolo e si scopre che portano rispettivamente alla formazione di 1,1′-binaftil-2,2 assialmente chirale altamente importante Derivati ​​della ′-diammina (BINAM) e 2-ammino-2′-idrossi-1,1′-binaftile (NOBIN) con rese elevate (fino al 98%), con eccellenti enantioselettività (fino a 98:2 er) e valori assoluti opposti configurazioni. I risultati evidenziano l'importanza della dinamica conformazionale dei catalizzatori chirali nella catalisi asimmetrica.

Le conformazioni sono disposizioni spaziali degli atomi formati da rotazioni attorno a un singolo legame. Nella maggior parte dei casi, i conformeri puri non possono essere isolati, perché le molecole ruotano costantemente attraverso tutte le possibili conformazioni (Fig. 1a). Quando la rotazione attorno a un singolo legame è limitata, una classe speciale di conformeri chiamati atropisomeri può essere isolata come diverse specie chimiche (Fig. 1b). Le conformazioni e le rotazioni attorno ai singoli legami sono cruciali per le funzioni molecolari e le trasformazioni chimiche. Ad esempio, le dinamiche conformazionali svolgono un ruolo chiave nella catalisi enzimatica1,2. Tuttavia, nella catalisi asimmetrica, è noto che la rigidità strutturale dei catalizzatori chirali non enzimatici, come i complessi metallici 2,2′-bis(difenilfosfino)−1,1′-binaftil (BINAP)3,4 e BINOL a base di acidi fosforici5,6 mostrato in Fig. 1c, è solitamente essenziale per ottenere alti livelli di induzioni asimmetriche7,8,9 e meno attenzione è stata prestata alla flessibilità molecolare e alle dinamiche conformazionali dei catalizzatori chirali10,11,12,13, 14,15. A causa della grande difficoltà nell'isolare i conformeri, è molto impegnativo rivelare la relazione tra le conformazioni dei catalizzatori chirali e l'enantiodiscriminazione.

una rotazione del legame C – C nell'etano. b Rotazione limitata attorno ai singoli legami C – C negli atropisomeri. c Rotazione attorno al legame singolo C – C bloccato nei complessi metallici BINAP e negli acidi fosforici a base di BINOL. d Progettazione di un sistema catalitico chirale per l'enantiodiscriminazione conformazionale che consenta la costruzione asimmetrica di atropisomeri con configurazioni assolute opposte. BINOL, 1,1′-bi-2-naftolo; BINAM, 1,1′-binaftil-2,2′-diammina; NOBIN, 2-ammino-2'-idrossi-1,1'-binaftile; BINAP, 2,2'-bis(difenilfosfino)-1,1'-binaftile; Ph, fenile; CPA, acidi fosforici chirali.

Le molecole assialmente chirali non solo sono abbondanti in natura16, ma hanno anche grande successo in molti campi scientifici come la scienza dei materiali e in particolare la sintesi asimmetrica17,18,19,20,21,22,23,24. BINOL, BINAM e NOBIN (Fig. 1b) sono tra le molecole assialmente chirali più importanti e preziose17,18,19,20,21,22,23,24. Enantiopure (R)- e (S)-BINOL e alcuni dei loro derivati ​​sono oggi disponibili in commercio, al contrario, BINAM e NOBIN enantiopuri con diversi modelli di sostituzione sono ancora molto difficili da ottenere nonostante il fatto che grandi sforzi siano stati dedicati alla loro sintesi negli ultimi tre decenni22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43.

In questo lavoro, progettiamo un sistema catalitico chirale (Fig. 1d) che è composto da un'unità achirale cataliticamente attiva (complesso di rame dell'unità 1,10-fenantrolina) e un'unità BINOL assialmente chirale. Le due unità sono collegate tramite un legame singolo C – O, la rotazione attorno al quale induce due distinti conformeri. Questo sistema catalitico dinamico mostra elevata attività ed eccellente enantioselettività nella sintesi atroposelettiva di derivati ​​assialmente chirali BINAM e NOBIN che sono atropisomeri biarilici molto importanti. Inoltre, i due conformeri del catalizzatore vengono determinati mediante diffrazione di raggi X su cristallo singolo e viene rivelata la relazione tra i conformeri favoriti e l'enantiodiscriminazione nonché le configurazioni assolute osservate delle due classi di prodotti.