칼코겐 결합

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4793(2022) 이 기사 인용

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구조적 이성질체화는 칼코겐 결합(ChB) 상호작용과 같은 약한 상호작용에 의해 유도될 수 있습니다. 여기서 우리는 구조적 이성질체화와 칼코겐 결합 상호 작용을 사용하여 키랄 설폭사이드에 대한 비대칭 접근을 위한 촉매 전략을 보고합니다. 이 반응은 구조 분석 및 DFT 계산에 따르면 분자 내 칼코겐 결합의 존재로 인해 라세미 혼합물로 존재하는 기질로 두 개의 알데히드 잔기를 갖는 설폭사이드를 포함합니다. 알데히드(산소 원자)와 설폭사이드(황 원자) 사이에 형성된 칼코겐 결합은 구조적 잠금 효과를 유도하여 대칭형 설폭사이드를 라세미체로 만듭니다. 촉매로서 N-헤테로고리형 카르벤(NHC)이 있는 경우, 칼코겐 결합에 의해 활성화된 알데히드 부분은 알코올과 선택적으로 반응하여 탁월한 광학 순도를 갖는 상응하는 키랄 설폭사이드 생성물을 생성합니다. 이 반응에는 구조적 잠금과 칼코겐 결합 상호작용에 의한 손쉬운 이성질화에 의해 활성화되는 동적 운동 분해능(DKR) 프로세스가 포함됩니다.

수소 결합1,2,3 및 할로겐 결합4,5,6,7을 기반으로 한 비공유 상호작용은 촉매 합성에서 강력하고 유망한 활성화 모드를 나타냅니다. 그러나 칼코겐 결합은 칼코겐 원자(S, Se, Te)와 루이스 염기(그림 1a) 사이의 새로운 종류의 약한 비공유 상호작용으로 최근 몇 년 동안만 주목을 받았습니다8,9,10. 살아있는 시스템에서 칼코겐 결합 상호 작용은 단백질 형태를 조절하고11 특정 효소 활동을 보존하는 데 중요한 역할을 합니다(그림 1b). 이러한 상호 작용은 고체 화학14, 음이온 인식15,16,17, 초분자 조립18,19,20 및 약물 설계 분야에서도 연구되었습니다. 예를 들어, 칼코겐 결합에 의해 유도된 구조적 잠금 효과는 Acetazolamide23 및 Selenazofurin24와 같은 여러 상업용 의약품의 생체 활성을 향상시키는 것으로 여겨집니다. (그림 1b). 기능성 분자 설계의 상대적으로 광범위한 적용과 달리, 칼코겐 결합은 특히 비대칭 반응에서 촉매 작용 및 유기 합성을 위한 효과적인 도구로서 훨씬 덜 탐구됩니다. 촉매작용을 위한 칼코겐 결합(ChB)의 사용은 최근 몇 년간 합리적인 주목을 받았습니다. Matile28,29, Huber30,31 및 Wang32,33,34에 의해 개시된 바와 같이, 핵심은 촉매 활성화를 위해 기질과 상호작용할 수 있는 촉매에 칼코겐 결합 공여체를 설치하는 것입니다(그림 1c). 효과적인 촉매작용에 대한 대부분의 성공은 칼코겐 결합 상호작용을 향상시키기 위해 칼코겐 원자의 전자 밀도를 감소시키기 위해 양이온 전하가 도입되는 양이온성 칼코겐 결합 상호작용에서 비롯됩니다. 이러한 인상적인 진전에도 불구하고 효과적인 칼코겐 결합 촉매의 개발은 여전히 ​​느리며, 촉매 반응에서 칼코겐 결합의 존재에 대한 증거는 대부분 현장 NMR 스펙트럼(13C, 77Se)27,32,33,34,35, UV- vis 및 nanoESI-MS15 분석. 우리는 그 이유 중 일부가 촉매와 기질 사이의 안정적인 칼코겐 결합 복합체를 설계하는 데 어려움이 있다고 가정합니다.

칼코겐 결합(ChB). b 생물 시스템, 의약품 및 농약의 ChB. c 유기 촉매 작용의 분자간 (양이온성) ChB. d 비대칭 합성(키랄 설폭사이드)을 위한 도구로서 기질의 분자 내(중성) ChB. e 기능성 키랄 설폭사이드의 예.

우리는 특히 이러한 분자내 상호작용이 거대18,19,20 및 천연 기원의 작은 분자11,12,13 또는 화학적 합성25,26,27,28,29 모두에서 널리 존재한다는 사실(또는 쉽게 설치될 수 있음)에 동기를 부여받았습니다. ,30,31,32,33,34,36. 또한 분자 내 방식의 칼코겐 결합이 쉽게 예측 가능하고 모듈식 방식으로 설계될 수 있다는 점을 관찰하는 것도 고무적입니다. 예를 들어, Tomada 등은 전체 분자를 경직화하기 위해 분자내 N-Se 상호작용을 포함하는 키랄 셀레닐화 시약을 보고했습니다. 이후 Wirth는 이 개념을 O-Se 상호작용으로 확장하여 알켄의 비대칭 기능화를 달성했습니다. 더욱이, 일시적인 분자내 칼코겐 결합 상호작용은 입체선택성 제어25,39,40,41,42,43,44에서 중요한 힘인 Smith et al에 의해 입증되었습니다. 분자 내 ChB45,46,47,48의 이러한 시사점을 주는 응용을 기반으로 우리의 관심은 구조적 규정 및 선택적 화학 변환을 위한 분자 내 칼코겐 결합 상호 작용을 사용하는 데 있습니다.