N-芳基咔唑骨架廣泛存在於天然產物和功能性OLED材料中，芳烴的C-H胺化反應是構建該骨架最為有效的方法，而過渡金屬催化作為常規方法，通常受底物的限制以及需要額外的氧化劑。此外，通過有機催化以對映選擇性實現C-N手性軸的構建仍具有一定的難度。近日，南方科技大學譚斌教授課題組在Angew發表論文，首次提出通過有機催化策略，實現偶氮萘和咔唑底物合成新型軸向手性N-芳基咔唑骨架。該反應具有廣泛的底物範圍，並且以高對映選擇性和高收率獲得阻轉異構的N-芳基咔唑衍生物。該方法不僅是傳統金屬催化C-N偶聯反應的補充，同時也為合成N-芳基阻轉異構體（atropisomers）衍生物和OLED材料提供了高效的途徑。文章鏈接DOI：10.1002/anie.202000585
（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.）
N-芳基骨架廣泛存在於天然產物、藥物、農藥、功能材料等領域。近年來，具有高三重態能量和競爭性孔輸運能力的N-芳基咔唑骨架廣泛應用於OLED材料中（Figure 1A）。此外，由於材料領域的快速發展從而促進了合成新型N-芳基咔唑的研究，尤其是帶有不同手性元素的骨架。因此，選擇合適的催化劑並以對映選擇性的方式合成此類骨架具有重要意義。常規過渡金屬催化的N-芳基化反應（如Ullmann、Buchwald-Hartwig和Chan-Lam-Evans偶聯反應）已成為構建C-N鍵必要的手段（Figure 1B）。但是，該方案常需對芳烴底物進行預官能化處理，同時容易產生自偶聯等副產物。據文獻報道，可使用高價碘、過渡金屬、光催化和電催化等方案，實現芳烴氧化胺化反應，即可克服這些缺點（Figure 1C）。儘管有上述方案已取得一定的成果，但底物侷限性仍限制了它們的應用，並且苛刻的反應條件不利於實現對映選擇性的控制。同時，由於芳烴具有較低的活性以及極少的不對稱有機催化方式，從而使有機催化實現芳烴對映選擇性C-H胺化仍難以進行。
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基於課題組前期研究的成果，作者發現，偶氮基團可以促進芳氫的活化，從而實現有機催化下的芳烴C-H芳基化反應。鑑於N-芳基咔唑在化學和材料科學中的重要性，作者嘗試使用有機催化劑以實現咔唑與N-芳基底物的C-H胺化反應從而獲得軸手性N-芳基咔唑產物（Figure 1D）。值得注意的是，偶氮基可以很容易地轉化為胺，併為後期修飾提供了多種可能性。
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首先，作者以偶氮萘衍生物1a與2-叔丁基-9H-咔唑2a作為模型底物，進行相關胺化反應的篩選（Table 1）。當以磷酸(S)-C1（15 mol％）作為催化劑，在CH2Cl2中40 ℃反應，獲得所需的軸向手性N-芳基咔唑3a（產率64%，65% ee）（entry 1）。儘管對映選擇性中等，但證實可通過手性磷酸（chiral phosphoric acid）CPA催化實現芳烴C-H胺化反應。緊接著，作者對不同取代的CPA催化劑進行了篩選，在6,6'-位置帶有菲基的(S)-C6可將產物的ee值提高至90%，同時收率也提高至79％（entries 1-6）。隨後，將催化劑的手性改變時，均取得較差的結果（entries 7-10）。而對溶劑的篩選中，當使用氯仿作為溶劑時，可將ee值提高至92%（entries 11-14）。將催化劑的載量降低至10 mol％對反應結果影響不大（entry 15），如果將溫度略微升高或加入3Å分子篩可進一步促進反應（entry 16）。
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在獲得上述最佳反應條件後，作者開始對底物進行了擴展（Scheme 1）。首先，作者對各種偶氮萘衍生物1進行了相關的研究（Scheme 1A）。當甲酯基團改為乙基、異丙基、叔丁基、苄基等，均可獲得相應的產物3b-3e（收率>68%，ee>91%）。同時，取代基電性和取代模式對反應影響較小，均可獲得目標產物3f-3l。值得注意的是，當使用C3取代基的底物（3k和3l）時，收率可達96%。隨後，作者對了9H-咔唑底物2進行了擴展（Scheme 1B）。當含有異丙基、環己基、溴、CF3、芳基等大位阻基團時，也可以獲得相應的目標產物3m-3t。此外，C5和C6甲基取代的咔唑底物也與該反應兼容，以中等以上收率獲得軸向手性N-芳基咔唑3u -3z（ee 值為90-93％）。
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緊接著，作者將9H-咔唑底物2改為活性更高的吲哚底物4（Scheme 2）。反應結果表明，在吲哚C3位上含有大體積基團對於形成所需的N-芳基軸至關重要。當偶氮萘含有不同的取代基團時（甲基、甲氧基、苯基），均可獲得中等以上收率的N-芳基吲哚阻轉異構體5d-5g（ee值為92-96％）。有趣的是，在氮雜萘的C3位置上引入了一個甲基時，可將產物5h-5j的收率提高至92％以上，ee值為99%。
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隨後，作者對該反應的實用性進行了相關的研究（Figure 2）。首先，在標準條件下對反應進行放大，收率和ee與小試結果基本一致，從而表明該反應在大規模化學生產中具有一定的潛力（Figure 2A）。而產物3a在甲苯中110 ℃下加熱48 h，HPLC分析表明3a的ee值並未發生改變，進一步說明了產物構型的穩定性。而手性軸的高穩定性，可促進其在不對稱催化的有機催化劑或配體中的應用。因此，作者通過
3a合成了阻轉異構體硫脲7和單膦10產物（Figure 2B）。兩步合成可獲得產率為74％的產物7，ee值不變。同時，若以萘環上含有遊離胺基的中間體6作為底物時，可經3步反應即可獲得單膦產物10。通過使用半製備色譜純化，可將兩種產品的光學純度提高至 99％以上。令人欣慰的是，硫脲7可促進了磷葉立德11和N-Boc亞胺12的反應，獲得71％的收率和80％的ee的預期產物13。N-芳基咔唑10可以作為有效的配體用於鈀催化丙二酸酯15與14的烯丙基烷基化反應（Figure 2C）。此外，作者也為芳烴C-H對映選擇性胺化反應提供了一個可行的立體化學模型，該模型具有雙功能CPA促進氫鍵活化以及軸向手性傳遞途徑（Figure 2D）。
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鑑於二咔唑取代的芳烴在OLED材料中的重要作用，作者試圖合成具有兩個手性N-芳基軸的骨架（Scheme 3）。首先，合成2,6-重氮萘17作為底物，再與咔唑2在標準條件下進行偶聯反應，反應結果表明，可獲得所需的1,5-二咔唑萘衍生物18，ee值高達98%，但收率僅為27%，可能是由於副產物19（16％）和約10％的單胺化產物導致。而對CPA催化劑篩選後，當使用螺骨架的6,6'-位上帶有1-苯基的基團的(S)-C2時，可將收率提高至51％。同時，可以觀察到令人滿意的非對映選擇性（18:19=4:1）。為了證明這種轉化的通用性，作者使用在C2位上具有不同取代基的其他咔唑，均可獲得中等收率相應的產物18b-18e（ee值>90%）。
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總結： 南方科技大學譚斌教授課題組開發了首例手性磷酸催化，實現芳烴選擇性的C-H胺化反應，以高收率和高對映選擇性獲得軸向手性N-芳基咔唑衍生物，同時也作為構建C-N鍵的補充（常規的方法為金屬催化偶聯反應）。此外，吲哚底物也適用於該類轉化，以高光學純度獲得N-芳基手性軸的產物。同時，放大實驗、手性有機催化劑和配體在不對稱催化中的應用以及OLED材料中1,5-二咔唑萘衍生物的合成進一步證實了該反應的實用性。
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