基于BODIPY染料的新型双功能有机催化剂的合成与可见光诱导不对称催化反应研究

Visible light photocatalysis has been widely used in organic synthesis, and has flourished as a powerful tool for various organic transformations. In contrast, the development of visible-light-induced asymmetric catalysis is still in its infancy. Because of highly reactive free radicals involved, it is difficult to control the stereoselectivity of photoreactions. The development of new catalytic systems to effectively control the stereoselectivity is always an important research in this field. At present, asymmetric visible light photocatalysis has mainly relied on the cooperative work of a chiral catalyst and an achiral photosensitizer. However, study on chiral bifunctional catalysts has remained scarce. Boron-dipyrromethene (BODIPY) dyes have been well studied as photosensitizers, duo to high molar absorptivities, high fluorescence quantum yields, and facile structure modification. This project intends to design and synthesize a series of new bifunctional organocatalysts by combining the structures of BODIPY dyes and chiral organocatalysts. This strategy can help to develop highly efficient and multifarious new catalytic systems for asymmetric photocatalysis. These new catalysts can display diverse catalytic performances by convenient adjustment. They will be applied in various visible-light-induced asymmetric catalytic reactions, aiming to develop highly efficient and selective catalytic methods. This work is promising to provide new opportunities for the development of new catalytic systems and highly efficient production of enantioenriched compounds in the field. Thus, it has important academic significance and potential application value.

可见光催化在有机合成中广泛应用，已经发展成为一种强有力的合成手段。相比之下，基于可见光催化的不对称反应研究还处于发展初期，主要由于反应涉及高活性的自由基，立体选择性难以控制。开发新催化体系有效控制立体选择性一直是该领域的重要研究方向。目前不对称光催化反应主要依靠手性催化剂与非手性光敏剂协同催化来实现，而基于双功能催化剂的研究极少。氟硼二吡咯（BODIPY）染料因摩尔消光系数大、荧光量子产率高及结构易修饰等优点常用作光敏剂。本项目拟将BODIPY染料和手性有机小分子催化剂的结构相结合，设计合成一系列新型双功能有机催化剂，为不对称光催化开发高效、多样性的新催化体系；该类新催化剂易于结构调节实现催化性能多样化，可应用于多种可见光诱导的不对称催化反应，进而发展高效高选择性的催化方法。本项目的开展可为该领域开发新催化体系和手性化合物高效制备方法提供新的机遇，具有重要的学术意义和潜在应用价值。

本项目原计划将BODIPY染料与多种类型手性有机小分子催化剂的结构相结合，设计合成一系列新型手性双功能有机小分子催化剂，发展多种可见光诱导的不对称催化合成方法。在项目执行过程中，发现我们设计合成的新催化剂在多种不对称催化反应中不能有效控制立体选择性，项目实施遇到困难，随后对研究工作进行了较大的调整。在前期研究中，我们发现手性磷酸催化剂更容易与可见光催化相兼容并有效控制催化反应的立体选择性，后续工作主要集中在可见光/手性磷酸协同催化、手性磷酸催化的不对称反应方法学研究。本项目主要完成以下工作：1）采用可见光诱导和手性磷酸催化相结合的策略，发展了一种手性四氢喹啉的不对称催化合成方法，通过可见光诱导环化/不对称转移氢化的接力催化模式，以2-氨基烯酮为底物，合成了手性2-取代四氢喹啉，并获得高的产率和优异的对映选择性。2）发展了一种有机催化的不对称串联反应构建基于四氢喹啉骨架的手性邻二胺，以2-喹啉甲醛和芳胺为底物，通过手性磷酸催化的还原胺化/不对称转移氢化串联反应，以高的产率和优异的对映选择性合成了手性邻二胺。3）发展了一种手性磷酸催化吲哚与苯并噻唑三氟甲基酮水合物的不对称傅克反应，在低催化剂用量和温和反应条件下以优异的产率和对映选择性合成了手性三氟甲基叔丁醇化合物。4）采用去对称化策略，发展了一种有机催化构建手性苯并1,4-二氧杂环庚烷的高效合成方法，以手性磷酸为催化剂，通过3-取代氧杂环丁烷的分子内去对称化反应，以高的产率和对映选择性合成了手性苯并1,4-二氧杂环庚烷类化合物，提供了一种不对称催化合成手性氧杂七元环的例子。5）发展了一种硫导向钯催化N-α-C(sp3)-H键活化方法，实现了芳基硼酸和3-吡咯啉的α-芳基化反应，以良好的产率合成了2-芳基-3-吡咯啉化合物；另外，α-芳基化产物可以很容易地转化成各种有用的3-吡咯啉和吡咯烷衍生物，特别是多取代的吡咯烷。