L-脯氨酸催化的哒嗪形成的机理研究涉及具有逆电子需求的Diels-Alder反应

已经用NMR和电喷雾电离质谱法研究了通过具有逆电子需求的Diels-Alder反应从丙酮和芳基取代的四嗪形成L-脯氨酸催化的哒嗪的机理。已经提出了具有三种中间体的催化循环。来自L-脯氨酸和丙酮的烯胺在[4 + 2]环加成中充当富电子亲二烯体，与贫电子四嗪形成四氮杂双环[2.2.2]辛二烯衍生物，然后消除N 2在retro-Diels-Alder反应中产生4,5-二氢哒嗪物质。以三种变体研究反应：未修饰的，带电荷标记的底物，和带电荷标记的脯氨酸催化剂。电荷标记技术强烈地增加了相应物种的ESI响应，因此能够捕获其他未检测到的反应组分。对于前两种反应变体，仅发现了小强度的中间体，但可以非常好地监测反应物和产物的时间进展。在用电荷标记的L-脯氨酸衍生的催化剂的实验中，通过碰撞诱导解离（CID）实验检测和表征所提出的催化循环的所有三种中间体。中间体的一些CID途径模拟气相中所提出的催化循环的单个步骤。因此，带电荷标记的催化剂再次被证明其在低浓度下检测和研究活性中间体的优异效果。

关键词： 电荷标签; 电喷雾电离; 烯胺有机催化; L-脯氨酸; 反应机制

电喷雾（ESI）质谱（MS）[1]非常适合研究反应机理，因为它是一种软电离方法，使大多数物种保持完整[1-3]。此外，它是一种快速分析方法[3]，可以研究瞬态中间体[4-6]。ESIMS成功地研究了各种类型的反应，从齐格勒 - 纳塔聚合[7]和偶联反应[8,9]到有机反应，如Baylis-Hillman [10-15]，醛醇[16-18]或Diels - 反应[19,20]。高分辨率ESIMS的一个有利特征是气相中的每种离子物质都会产生不同的信号，这些信号不可能与来自其他物种的信号重叠[6]。因此，可以分析通常含有许多不同物种的反应混合物，而无需预先分离组分[5,6]。作为MS的缺点，异构体通常难以分析，因为它们具有相同的质量并因此导致相同的信号。然而，在幸运的情况下，它们可以通过更复杂的方法来区分，如串联质谱[3]，离子淌度质谱[21]，或与液相或气相色谱联用。此外，ESI信号强度不直接与溶液中的浓度相关，而是与相关分子的ESI响应相关[3,22]。ESI响应受到各种因素的影响，如给定分析物的可充电性和表面活性，以及应用的电喷雾条件[22]。如果感兴趣的物种之间的ESI响应存在很大差异，那么一些物种可能在光谱中占主导地位，以至于具有低ESI响应的物种被隐藏[2,17]。为了解决这些问题，可以将共价连接的电荷标签引入分析物分子中，通常以烷基化胺或膦的形式[5,6]。电荷标签可以位于基板[23-25]或催化剂[18,26,27]内。因此，所有含有电荷标签的物种都具有类似的高ESI响应[6,25]，而不参与反应且不携带电荷标签的物种将具有低得多的ESI响应。因此，电荷标签有助于“捕获” [5,23,28]反应中间体。我们以前在L-脯氨酸催化的醛醇缩合反应的ESIMS研究中使用了电荷标记的L-脯氨酸衍生的催化剂1 ∙Cl（图1）。

有机催化已成为许多应用的主要研究领域，并已被证明是有机金属或酶催化的有价值的补充方法[29-34]。特别是与有机金属催化相比，其优点在于毒性更低，空气敏感性更低，成本更低[34]。近年来发表了大量有机催化反应，具有高效率和选择性[29,33,35-39]。脯氨酸作为天然氨基酸是有机催化剂的完美例子。两种对映体都很便宜且容易获得。List和Barbas在2000年的工作对于L-脯氨酸催化的反应是开创性的[40]。他们发表了L -脯氨酸催化的不对称羟醛反应，并提出必要的催化步骤是L-脯氨酸的仲胺功能与羰基底物丙酮之间的烯胺形成[40]。Houk和同事[41]用量子力学计算验证了这种机制，从而产生了“List-Houk ”机制。关于恶唑烷酮作为异构体物质对烯胺的作用的讨论已在科学界提出[42-47]。四嗪及其在具有逆电子需求的Diels-Alder反应中的反应性在生物学领域受到关注[48,49]。最近，他们已经通过质谱手段进行了研究[50]。

2008年，谢等人。[51]发表了酮与芳基取代的1,2,4,5-四嗪之间的L-脯氨酸催化反应，这导致官能化的哒嗪。他们还假设了反应机制（方案1）[51]。基于仲胺催化酮和其他羰基化合物形成烯胺的知识[33]，烯胺I的初始形成似乎是合理的。它是一种富电子亲二烯体，它可以在具有反电子需求的Diels-Alder反应中与贫电子芳基取代的四嗪2进行[4 + 2]环加成反应。双环Diels-Alder中间体II然后可以通过消除二氮来进行逆Diels-Alder反应。这导致二氢哒嗪中间体III，其中催化剂被释放以产生哒嗪产物3 [51]。

Shihab等人。后来通过理论方法研究了一系列亲二烯体与1,2,4,5-四嗪-3,6-二甲酸二甲酯的相关反应[52]。他们的结果与方案1中提出的催化循环一致。然而，提出的问题是双环Diels-Alder物种II是否是直接来自烯胺/亲二烯体I的二氢哒嗪中间体III的协同形成的真正中间体或更确切地说是过渡态。和四嗪。因此，我们决定使用NMR（核磁共振）光谱和ESI质谱与电荷标记策略相结合，通过实验方法获得对三种中间体存在或不存在的更深入的见解。

除了电荷标记的脯氨酸催化剂1 ∙氯[18] ，电荷标签四嗪基板4 ∙溴合成（方案2）。我们受到了McIndoe和同事[6,25,53]的工作的启发，他们介绍并建立了三苯基鏻电荷标签。从该反应物开始的相应的Diels-Alder反应产生哒嗪产物5 ∙Br。根据Wang等人的方案，对苯甲酰氯7 [54]进行前两个合成步骤（方案2）。[55]。形成新的四嗪化合物8 按照Liu等人公布的方法进行。[56]并且由de Almeida等人公布的三溴异氰脲酸（TBCA）成功地对新的苄基溴9进行溴化。[57]。苄基溴的最终转化9到三苯基鏻电荷标记4 ∙溴用来自Vikse等稍微修改的协议来执行。[53]。

机理研究：1 H NMR实验

反应R1的1 H NMR实验（方案3）显示反应的时间进程，其容易通过底物2，丙酮和产物3的浓度跟踪（图2，以及支持信息文件1中的图S1和S2 ）。但是，在这种情况下或浓度增加时都不能检测到反应中间体（图S3，支持信息文件1）。

在不存在四嗪2的情况下，在氘代DMSO中仅含有L-脯氨酸和丙酮的反应混合物的1 H NMR光谱在δ= 4.4ppm处显示另外的小信号（图S3，支持信息文件1），其为恶唑烷酮的特征（方案4）。与List [58]和Gschwind [46]的研究结果一致，异构烯胺的平衡浓度太低而无法检测到，尽管该物质需要作为亲二烯体进行Diels-Alder反应。

机械研究：ESIMS实验

由于ESIMS具有比NMR更低的检测限，我们还研究了与ESIMS的进行反应。在其最简单的版本中，即没有带电荷标记的组分（R1，方案3）和低浓度（0.005mmol / mL的四嗪），可以直接跟踪基质2和产物3的时间进展（图S5，支持）信息文件1）。不幸的是，没有检测到反应中间体。使用较少量的溶剂（0.2mmol四嗪在10mL二甲基亚砜中）具有以下缺点，即并非所有基材2最初都溶解。产物3在该浓度下完全可溶，因此仅在基质2时转变成产品3，2 上一篇文章 : 具有不同烷基链的苯并-21-冠-7的LCST相行为 下一篇文章 : 环丁烯的选择性开环易位聚合（ROMP）