钯/铜协同催化不对称串联Heck/Sonogashira反应构建多功能手性桥环骨架

《Nature Communications》：Catalytic asymmetric tandem Heck/Sonogashira reaction enabling access to versatile chiral bridged ring scaffolds

本文报道了一种Pd/Cu共催化的底物依赖性不对称发散串联Heck/Sonogashira反应，成功实现了炔烃连接的手性(R,S,S)-双环[3.2.1]辛烯和(S,R,R)-苯并双环[3.2.1]辛烷的高效合成。该策略通过分子内环化进一步构建了刚性手性三环癸烷和四环十四烷骨架，并发现两个化合物通过靶向STING蛋白有效抑制cGAS-STING通路。该研究为复杂桥环分子的对映选择性合成提供了新范式。

　　

在天然产物和药物分子中，桥环骨架因其独特的三维刚性结构而备受关注。这类结构不仅能增强分子稳定性，还能改善溶解性和靶标结合亲和力等药物性质。然而，由于产物存在较大的结构张力和多个立体中心，桥环化合物的对映选择性合成一直是有机合成领域的重大挑战。特别是具有一个季碳和两个相邻叔碳立体中心的手性双环[3.2.1]辛烯及其类似物的不对称合成，仍处于研究不足的阶段。更复杂的是，高度刚性的手性三环癸烷、四环十四烷及其类似物的合成至今尚未实现突破。

炔烃作为有机合成中最重要的官能团之一，能够参与多种转化反应，如环异构化、氢官能团化、水合反应、点击化学等，同时也是药物分子和功能材料中的重要结构单元。将炔烃片段与手性桥环骨架相结合，有望为获得多样化手性桥环化合物提供新的机遇。然而，开发此类合成方法面临多重挑战：如何高效构建高张力桥环骨架？如何实现多个手性中心的有效控制？如何抑制炔烃参与竞争性副反应？以及如何阐明反应机理？

针对这些挑战，中国药科大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果，开发了一种钯/铜共催化的不对称串联Heck/Sonogashira反应。该研究首次实现了3,3-二取代环戊烯与末端炔烃的高效转化，成功构建了炔烃连接的手性桥环化合物。

研究人员采用了一系列关键技术方法开展本研究。通过系统的反应条件优化确立了最优催化体系；利用X射线单晶衍射确定了产物的绝对构型；通过金催化的环异构化反应实现了从双环[3.2.1]辛烯到三环[5.2.1.0^4,8]癸二烯的转化；采用铁催化的分子内环化反应合成了苯并三环[6.2.1.0^4,9]十一碳烯；通过细胞水平的表型筛选和分子对接等技术评估了化合物的生物活性；结合Hammett分析、动力学研究和密度泛函理论(DFT)计算深入阐明了反应机理。

反应开发

研究以(E)-3-溴-2-苯基烯丙基环戊-3-烯1a和苯乙炔2a为模型底物，经过系统条件优化，确定了最优反应条件：[(π-烯丙基)PdCl]₂(5.0 mol%)、CuI(12.0 mol%)、(S)-DTBM-Segphos(L1)(20.0 mol%)和Na₂CO₃(3.0 equiv)在DMSO中80°C反应20小时，以88%的分离收率获得产物3aa，其对映选择性过量(ee)值达95%，非对映选择性(dr)大于20:1。控制实验表明，铜盐的添加对反应至关重要，无铜盐时未检测到产物。

手性双环[3.2.1]辛烯的合成

在最优条件下，研究人员考察了反应的普适性。炔烃底物适用范围广泛，苯环邻、间、对位取代的甲氧基、卤素、三氟甲基、甲氧羰基、甲酰基、氰基、氨基、乙烯基和甲基等官能团均能良好兼容，获得产物3ab-an的收率为62-94%，ee值为91-95%，dr值大于20:1。杂环炔烃如噻吩、吡啶、嘧啶、吡唑并[1,5-a]嘧啶和1-甲苯磺酰基-1H-吲哚也能顺利参与反应，产物3ao-as的收率为73-89%，ee值为93-95%。烷基炔烃如苄基、环丙基、羟乙基和邻苯二甲酰亚胺乙基取代的底物同样适用，产物3av-ay的收率为66-79%。含有叔丁基二甲基硅基的炔烃2z也能以80%收率获得产物3az，ee值达94%，为后续转化提供了重要位点。

环戊烯底物的适用范围也得到系统考察。将甲氧羰基替换为N-苯基酰胺基(1b)，产物3ba的收率为62%，ee值94%。N-甲氧基-N-甲基乙酰胺(1c)、苯甲酰基(1d)和乙酰基(1e)取代的环戊烯参与反应，产物3ca-ea的收率为83-91%，ee值86-94%。甲氧甲基取代的环戊烯(1f)形成产物3fa的收率为88%，ee值93%。苯环上取代基的电子效应研究表明，给电子基团(甲基、甲氧基)和吸电子基团(氯、三氟甲基、氟)均能良好兼容，产物3ga-ka的收率为77-85%，ee值91-94%。将苯基替换为萘基或环己基，产物3la和3ma的分离收率分别为78%和79%，ee值分别为92%和97%。通过单晶X射线分析确定了产物3ea的绝对构型为(R,S,S)，其他产物的构型依此推定。

手性三环[5.2.1.0^4,8]癸二烯的合成

获得手性炔烃连接的双环[3.2.1]辛烯后，研究人员进一步合成了此前未实现的刚性手性三环[5.2.1.0^4,8]癸二烯。将3aa与AuPPh₃Cl和AgSbF₆反应，以87%收率获得环异构化产物4aa，ee值93%，dr值大于20:1。底物拓展研究表明，代表性产物4ab、4ac、4ao、4av、4fa、4ha和4aa的收率为50-91%。通过单晶X射线分析确定了产物4aa的绝对构型。

进一步地，4aa通过格氏反应与甲基溴化镁反应，以88%收率获得叔醇取代的三环[5.2.1.0^4,8]癸二烯5。此外，3aa与N-碘代丁二酰亚胺(NIS)发生环异构化，以85%收率获得产物6。化合物6的烯基碘基团为后续修饰提供了有力工具，研究人员通过钯催化的Suzuki反应(7)、Heck反应(8)、Sonogashira反应(9)和羰基化反应(10)引入了多种官能团，构建了多样化的手性三环[5.2.1.0,8]癸二烯。同时，以DCO₂Na为氘源，通过钯催化的还原脱碘反应以93%收率获得化合物11，氘代率超过99%。还以61%收率合成了含有苯硒基的手性三环[5.2.1.0,8]癸二烯12。

手性苯并双环[3.2.1]辛烷和手性苯并三环[6.2.1.0^4,9]十一碳烯的合成

为拓展反应普适性，研究人员将该方法应用于手性苯并双环[3.2.1]辛烷和苯并三环[6.2.1.0^4,9]十一碳烯的构建。以2-碘苄基环戊-3-烯13a和苯乙炔2a为起始原料，经过系统条件优化，确定最优条件为：[(π-烯丙基)PdCl]₂(5.0 mol%)、CuI(12.0 mol%)、(S)-Segphos(L2)(20.0 mol%)和K₂CO₃(3.0 equiv)在丙酮中70°C反应20小时，产物14aa的分离收率达85%，ee值95%，dr值大于20:1。炔烃底物适用范围考察表明，多种官能团均能良好耐受，产物14ab-aab的收率优良，对映选择性和非对映选择性优异。

碘苯连接环戊烯的底物范围研究显示，将甲氧羰基替换为N-苯基酰胺(13b)、N-甲氧基-N-甲基乙酰胺(13c)或乙酰基(13d)，产物14ba-da的收率为64-95%，ee值96-99%。苯环上引入甲基(13e)、甲氧基(13f)和氯(13h-j)等取代基，产物14ea、14fa和14ha-ja的收率为64-83%，ee值94-98%，dr值大于20:1。然而，对三氟甲基苯基取代的底物13g仅以35%收率获得产物14ga，同时伴有直接芳基-炔基偶联副产物。通过单晶X射线分析确定了产物14ba的绝对构型为(S,R,R)。

随后通过苯并双环[3.2.1]辛烷的分子内环化合成了手性苯并三环[6.2.1.0*.9]十一碳烯。14aa与Fe(OTf)₃反应，以95%收率获得产物15aa，ee值94%，dr值大于20:1。反应适应性研究表明，代表性产物15ab、15ac、15ao、15da、15fa、15ha、15ia和15ja的收率为57-97%。14ca与三氟乙酸(TFA)反应以62%收率获得产物15ca。此外，14aa在碱性条件下与ICl反应，以89%收率获得碘诱导的环化产物16。通过单晶X射线分析确定了产物15ia的绝对构型。

合成应用

为验证策略的可靠性，研究人员将1a和13a与2a的反应放大至2.5 mmol规模，即使将[(π-烯丙基)PdCl]₂和CuI的负载量分别降至2.5 mol%和6.0 mol%，仍能获得满意收率的产物3aa和14aa，且效率和对映选择性未受影响。产物3和14中嵌入的烯烃、炔烃和酯基为多样化修饰提供了良好机会：3aa与OsO₄发生二羟基化反应，以60%收率获得二醇17；与m-CPBA发生环氧化反应，以59%收率获得产物18；在氢气氛围下Pd/C催化还原，烯烃和炔烃同时被还原，以83%收率分离得到双环[3.2.1]辛烷19。通过X射线衍射确定了18和19的绝对构型。3aa的酯基经LiOH水解生成羧酸，进一步通过Curtius重排反应以69%收率转化为氨基取代产物20。此外，3az经TBAF处理去除叔丁基二甲基硅基，以81%收率获得末端炔烃21。化合物21与苄基、葡萄糖衍生物和齐多夫定叠氮化物发生铜(I)催化的叠氮-炔烃环加成反应(CuAAC)，以74-90%收率获得含有三唑基团的双环[3.2.1]辛烯22a-c。14aa经金催化水合反应以89%收率获得产物23。14aab经TBAF处理去除三甲基硅基，以98%收率获得末端炔烃24，后者可进一步通过水解和Curtius重排反应转化为氨基取代产物25。末端炔烃基团还能参与多种转化，如钯催化的Larock吲哚环化和铂催化的氢硅化反应，分别以70%和91%收率获得产物26和27。

活性测试

作为先天免疫系统的关键组成部分，cGAS-STING通路与自身免疫性炎症疾病的发病机制相关，开发针对该通路的小分子抑制剂是治疗自身免疫疾病的有前景策略。鉴于桥环化合物莪术醇已被证明具有强效抑制cGAS-STING通路的活性，研究人员对所得手性桥环化合物库进行了基于THP1-Dual细胞的表型筛选，发现15个化合物对cGAS-STING通路具有初步抑制活性。化合物3af、3ao、3ar、4fa、5和25在10 μM浓度下对THP1-Dual细胞无显著细胞毒性。这些化合物进一步进行IC₅₀测定，其中3ao和5表现出优异的抑制活性，IC₅₀值分别为2.05 μM和2.78 μM。在SR717诱导的THP-1细胞中，化合物3ao和5均能浓度依赖性地下调IFNB、CXCL10和ISG15的mRNA水平。进一步数据表明，与3ao相比，化合物5在cGAMP刺激的THP1细胞、人单核细胞和MEF细胞中表现出更强的cGAS-STING通路抑制活性。在STING转染的HEK293T细胞中，3ao和5也能抑制IFNB转录。

为识别化合物3ao和5的潜在靶点，研究人员考察了这两个化合物对人cGAS(h-cGAS)酶活性的影响。在30 μM浓度下，3ao和5均未表现出任何抑制效果。热位移分析(TSA)显示，两个化合物均改变了hSTING的熔解温度(T_m)，表明3ao和5与hSTING结合。进一步表面等离子体共振(SPR)分析表明，3ao和5与hSTING的结合亲和力(K_d)分别为17.34 μM和5.56 μM。为理解这些化合物与STING蛋白的结合模式，研究人员进行了分子对接，发现两个化合物均结合于STING蛋白的环二核苷酸(CDN)结合口袋。3ao的1-甲氧羰基-3-苯基-双环[3.2.1]辛烯部分占据口袋内部，酯基与R238形成氢键，而通过炔烃连接的噻吩片段延伸至溶剂可及界面，与Y167发生π-π相互作用。此外，5在口袋内呈倒"V"构象，与V239形成氢键，与Y167/P264产生范德华相互作用。这些数据表明，3ao和5通过靶向STING抑制cGAS-STING通路，是具有潜力的药物先导化合物。

进一步研究

为深入理解反应机理，研究人员进行了Hammett分析。底物1苯环上取代基的电子效应评估显示，Hammett图反应常数ρ为-0.14，表明苯环上取代基的电性对反应活性影响较小。底物13苯环上各种取代基的反应得出ρ值为-1.18，表明电性性质对反应速率影响更为显著，给电子取代基有利于反应进行。这些发现解释了图4中强吸电子基团(如CF₃)对14ga收率的显著影响，而图2中3ja受影响较小。不同芳基乙炔2的实验结果显示，与底物1a反应的Hammett ρ值为-0.86，与底物13a反应的ρ值为-0.38。一致的负ρ值表明还原消除步骤可能是该串联Heck/Sonogashira偶联反应的决速步。此外，配体与产物对映体纯度之间的线性关系表明，一个手性配体与一个钯原子配位形成活性催化剂。

为进一步阐明反应机理，研究人员对底物1a或13a与苯乙炔2a的反应进行了密度泛函理论(DFT)计算。选择活性催化剂配合物(Pd⁰L2)作为初始物种。反应从1a与Pd⁰L2的氧化加成开始，经过过渡态EneTS_OA，能垒为1.77 kcal/mol，生成中间体EneInt1，放能34.10 kcal/mol。随后溴离子从EneInt1中离去，在钠离子促进下形成放能中间体EneInt2，放能7.32 kcal/mol。无钠离子时，该步骤吸能14.16 kcal/mol。接着经历烯烃插入过渡态EneTS_Insert，能垒9.94 kcal/mol，生成中间体EneInt4。从EneInt2到EneInt4的转化放能20.15 kcal/mol。EneInt4与碘配位的铜-乙炔化物之间发生配位和转金属化，形成EneInt6。随后CuI从EneInt6中离去，在NaCO₃^-促进下生成中间体EneInt7，放能17.32 kcal/mol。无NaCO₃^-时，该步骤需要27.66 kcal/mol的能垒。最后，EneInt7经过过渡态EneTS_RE发生还原消除，自由能垒23.32 kcal/mol，生成最终化合物3aa和Pd⁰L2。该分析证实还原消除是决速步，总活化能为23.32 kcal/mol。底物13a与苯乙炔2a反应得到类似结论。这些发现表明：1)对映选择性在烯烃插入步骤决定；2)转金属化过程中的能垒平坦，烷基钯(II)阳离子中间体(EneInt4到EneInt6，ArInt4到ArInt6)经历快速可逆的转金属化过程；3)还原消除是决速步。使用配体L1对1a和2a反应进行的DFT计算显示，其能量分布与L2相似。

这些机理研究结合前期发现表明，与经典Sonogashira反应中溶剂或卤素在钯上配位相比，转金属化前中间体(EneInt4或ArInt4)中弱烯烃/芳烃配位可能促进炔烃与钯中心的结合。进一步动力学研究发现，1a和2a的反应对[1a]呈一级依赖，对[2a]呈负分数级依赖，对[Pd]₂呈分数级依赖，对[CuI]呈负一级依赖。为验证上述事实，研究人员推导了相应的初始速率方程。速率定律与所有动力学数据一致，并证实了DFT计算得出的结论。

基于这些实验和计算结果，研究人员提出了以1a和2a为模型底物的催化循环。循环从Pd(II)前体还原为活性Pd(0)物种开始。随后1a与Pd(0)发生氧化加成生成乙烯基钯中间体I。立体专一的顺式烯烃插入过程生成烷基钯中间体II。同时，末端炔烃2a在碱存在下经铜介导的去质子化生成卤素配位的铜乙炔化物III。中间体II和III之间发生转金属化产生物种IV，后者经过还原消除得到目标产物3aa，同时再生Pd(0)催化剂。

有趣的是，产物3aa和14aa表现出相反绝对构型(R,S,S vs S,R,R)。使用L1和L2进行的对照实验表明，配体对反应的对映选择性有显著影响。为阐明对映选择性起源并合理解释产物3和14不同绝对构型结果，研究人员对对映决定步骤进行了DFT计算。底物1a的计算ΔΔG^?_disf-fav值为1.35 kcal/mol，底物13a为2.07 kcal/mol。计算对映体比率(er_calc)与实验结果吻合良好(底物1a：er_calc= 87:13 vs er_exp= 85:15；底物13a：er_calc= 95.5:4.5 vs er_exp= 96.5:3.5)。为进一步理解相同配体下相反对映选择性结果，研究人员进行了能量分解分析。评估了两个非对映异构过渡态之间电子能差ΔΔE^?_disf-fav的各种贡献因素，包括：(i)配体畸变，(ii)底物畸变，(iii)钯配位层畸变，(iv)P-Pd键强度和C