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福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所李綱課題組JACS：光催化還原芳基鹵代物實(shí)現(xiàn)苯乙烯羧基芳基雙官能團(tuán)化
來(lái)源：化學(xué)加編輯部 陳十五 2020-05-18
導(dǎo)讀：近日，福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所李綱課題組報(bào)道了首例具有區(qū)域選擇性，由可見光驅(qū)動(dòng)的，芳基鹵化物與二氧化碳對(duì)苯乙烯的還原性羧基芳基雙官能團(tuán)化反應(yīng)。該反應(yīng)不僅適用于廣泛的芳基碘化物和溴化物、吡啶基鹵化物、烷基鹵化物，甚至還適用于芳基氯化物，文章DOI：10.1021/jacs.0c03144。
可見光驅(qū)動(dòng)的光氧化還原催化（PRC）是在溫和的反應(yīng)條件下合成復(fù)雜有機(jī)分子的有效方法?；?/span>K?nig的開創(chuàng)性工作，以芳基重氮鹽、二芳基碘鎓鹽、芳基磺酰氯等化合物為芳基自由基來(lái)源，通過(guò)可見光驅(qū)動(dòng)的Meerwein芳基化雙官能化反應(yīng)受到了人們廣泛關(guān)注（圖 1a）。然而相較于芳基重氮鹽、二芳基碘鎓或芳基磺酰氯，芳基鹵化物有更低的還原電勢(shì)，因此在可見光條件下，由芳基鹵化物獲得高度反應(yīng)活性的芳基自由基參與上述反應(yīng)尚有極大的挑戰(zhàn)。另一方面，二氧化碳（CO2）的光催化利用一直是精細(xì)化學(xué)品合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其不僅是理想的一碳（C1）合成子并且具有可持續(xù)、儲(chǔ)量豐富、成本低廉、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。此外，CO2參與的氧化還原中性的光催化烯烴雙官能化反應(yīng)可以快速合成大量含羧酸基團(tuán)的生物活性分子（圖1b）。但是，這種氧化還原中性的策略并不適用于烯烴與CO2和芳基鹵代物的三組分反應(yīng)，因?yàn)樵摲磻?yīng)涉及到芳基鹵代物底物的還原。由于這一挑戰(zhàn)，基于PRC策略的可見光驅(qū)動(dòng)的烯烴與CO2的羧化芳基化反應(yīng)尚未實(shí)現(xiàn)。受K?nig，Stephenson，Jui等人研究工作啟發(fā)，作者以廣泛易得、廉價(jià)的HCO2K為還原劑，實(shí)現(xiàn)了首例具有高度區(qū)域選擇性的可見光驅(qū)動(dòng)的二氧化碳和芳基鹵化物對(duì)苯乙烯的還原性羧基化芳基化雙官能團(tuán)反應(yīng)，該反應(yīng)能快速合成高價(jià)值的肉桂酸類衍生物（圖1c）。 圖1. 可見光驅(qū)動(dòng)的烯烴雙官能團(tuán)化（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）首先，作者以30 W藍(lán)色LED燈為光源，[Ir(ppy)2(dtbbpy)]PF6為光敏劑，在室溫下，一個(gè)大氣壓的二氧化碳氛圍中，選擇1,1-二苯乙烯、碘苯作為模型底物開始研究反應(yīng)（圖2）。經(jīng)過(guò)對(duì)反應(yīng)條件的深入研究，作者發(fā)現(xiàn)添加氫轉(zhuǎn)移催化劑1,4-二氮雜雙環(huán)[2.2.2]辛烷（DABCO），使用HCO2K作為還原劑，以K2CO3作堿，以二甲基亞砜（DMSO）為溶劑時(shí)，該反應(yīng)以78％的分離收率得到目標(biāo)產(chǎn)物（entry 1）。在沒(méi)有光催化劑或光的情況下，無(wú)法檢測(cè)到產(chǎn)物生成，表明了這是光驅(qū)動(dòng)反應(yīng)（entry 2和3）。研究表明HCO2K/DABCO的組合可能是該反應(yīng)的有效電子供體。 圖2. 反應(yīng)條件的優(yōu)化（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）有了最優(yōu)反應(yīng)條件，作者對(duì)該反應(yīng)的底物適用性進(jìn)行了考察（圖3）。首先作者發(fā)現(xiàn)多種給電子取代基和吸電子基團(tuán)均能適用于該轉(zhuǎn)化，并無(wú)太大差異（圖3，化合物2-33）。此外不僅二級(jí)烷基鹵化物，碘代萘，溴代萘均能參與反應(yīng)，帶有氯或硼酸酯基團(tuán)的芳基碘化物或者溴化物對(duì)于該轉(zhuǎn)化也能兼容（圖3，化合物15-18），這為進(jìn)一步衍生化提供了可能。圖3. 芳基鹵化物和烷基鹵化物的底物適用性研究（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）作者隨后研究了苯乙烯底物適用范圍（圖4）。芳環(huán)上取代基的電性和取代基的位置對(duì)α-取代苯乙烯影響很小，均能高效參與反應(yīng)，給出優(yōu)異的產(chǎn)率，而較大位阻的α，β-二取代苯乙烯（圖4，化合物66）只能得到中等收率。 圖4. 苯乙烯的底物適用性研究（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）根據(jù)這些結(jié)果，作者進(jìn)一步測(cè)試了雜環(huán)底物，尤其是缺電子的吡啶鹵化物。如圖5所示，α-硫代呋喃基或吡啶基苯乙烯以中等收率得到目標(biāo)產(chǎn)物（75和76）。更重要的是，該反應(yīng)對(duì)于不同取代的吡啶基團(tuán)均有良好的兼容性，大大拓展了它的實(shí)際應(yīng)用空間。圖5. 雜環(huán)底物適用性研究（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）為了證明該反應(yīng)的潛力，作者還測(cè)試了活性較低的芳基氯化物在可見光驅(qū)動(dòng)的光催化反應(yīng)中的表現(xiàn)（圖6）。對(duì)于一些缺電子的芳基氯代物，該反應(yīng)仍然可以給出較好的收率，這將有利于降低實(shí)際成本。 圖6. 芳基氯化物底物適用性研究（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）在測(cè)試完該反應(yīng)的底物適用性之后，作者緊接著研究了反應(yīng)機(jī)理。熒光淬滅實(shí)驗(yàn)證實(shí)了激發(fā)態(tài)的銥催化劑由DABCO淬滅?？刂茖?shí)驗(yàn)中，當(dāng)不使用鹵代芳烴則得到單一的羧化產(chǎn)物83和84，這表明CO2在反應(yīng)條件下可能產(chǎn)生了陰離子自由基（圖7a，b）。開環(huán)產(chǎn)物85則表明該反應(yīng)可能有芐基自由基物種產(chǎn)生（圖7c）。同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)與使用對(duì)氟苯乙醛作為親電試劑（圖7d，e）實(shí)驗(yàn)間接證明芐基陰離子中間體的存在。 圖7. 機(jī)理研究以及放大反應(yīng)（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）在之前的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，作者提出了可能的反應(yīng)機(jī)理（圖8）。在藍(lán)光照射下，銥催化劑被激發(fā)為激發(fā)態(tài)光敏劑，進(jìn)而被DABCO還原淬滅得到還原態(tài)光敏劑B和DABCO自由基陽(yáng)離子C。自由基C攫取HCO2K中的氫原子產(chǎn)生CO2自由基陰離子和陽(yáng)離子D。CO2自由基陰離子具有足夠的高還原電位，因此芳烴鹵化物可以被二氧化碳自由基陰離子還原產(chǎn)生芳基自由基E，隨即于與烯烴發(fā)生區(qū)域選擇性加成得到芐位自由基F。新生成的自由基則被還原態(tài)光敏劑B還原生成芐基陰離子中間體G。然后G與二氧化碳發(fā)生親核加成反應(yīng)生成羧酸鹽H，最后酯化得到目標(biāo)產(chǎn)物。但是，作者也明確指出，芐位自由基F可能會(huì)先于CO2發(fā)生自由基加成，然后通過(guò)單電子轉(zhuǎn)移被還原態(tài)光敏劑B還原最終得到目標(biāo)產(chǎn)物。圖8. 可能的反應(yīng)機(jī)理（圖片來(lái)源：J. Am. Chem. Soc.）總結(jié)：李綱研究員課題組開發(fā)展了首例可見光驅(qū)動(dòng)的高效區(qū)域選擇性的苯乙烯與二氧化碳和芳基鹵化物的羧基芳基雙官能團(tuán)化反應(yīng)，這種強(qiáng)還原性策略兼容了大量的芳基鹵化物，包括缺電子芳烴，吡啶基鹵化物，烷基鹵化物和廉價(jià)的芳基氯化物，這將為新的二氧化碳光催化利用反應(yīng)提供新的研究思路。
撰稿人：陳十五
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