武漢大學(xué)高等研究院雷愛(ài)文教授課題組
雜環(huán)芳烴是眾多藥物分子、天然產(chǎn)物和功能材料中的基本結(jié)構(gòu)單元, 通過(guò)雜環(huán)芳烴C(sp2)—H鍵與烷烴C(sp3)—H鍵的選擇性交叉脫氫偶聯(lián)過(guò)程直接構(gòu)建化學(xué)鍵, 具有原子經(jīng)濟(jì)性高、原料簡(jiǎn)單易得、反應(yīng)步驟簡(jiǎn)化等優(yōu)勢(shì)[1-2], 為功能化雜芳烴化合物的合成提供了一種強(qiáng)有力的方法. 該過(guò)程通常涉及Minisci型反應(yīng)機(jī)制[3], 即碳-碳鍵的構(gòu)建是通過(guò)烷基碳自由基對(duì)雜環(huán)芳烴不飽和鍵的自由基加成過(guò)程實(shí)現(xiàn), 而烷基碳自由基是通過(guò)烷烴與氧原子或氮原子自由基之間的氫原子轉(zhuǎn)移過(guò)程產(chǎn)生. 為了有效地生成氧原子或氮原子自由基, 一般需要向反應(yīng)體系中加入過(guò)氧化物、過(guò)硫酸鹽和碘試劑等不穩(wěn)定的化學(xué)氧化劑, 化學(xué)氧化劑的使用不僅會(huì)降低反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性, 而且在大規(guī)模生產(chǎn)中會(huì)存在一系列的安全隱患[4]. 因此, 發(fā)展綠色溫和的策略來(lái)活化惰性C(sp3)—H鍵具有重要的研究?jī)r(jià)值. 電化學(xué)有機(jī)合成通過(guò)電極表面得失電子的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng), 可以有效避免化學(xué)氧化劑或還原劑的使用, 因而引起了有機(jī)合成化學(xué)家們的廣泛研究興趣[5-9].將光化學(xué)與電化學(xué)合成的策略相結(jié)合, 將有可能實(shí)現(xiàn)單一的光化學(xué)或電化學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化. 此外, 氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)是一種有效活化惰性C(sp3)—H鍵產(chǎn)生碳自由基的方式[10], 該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)在于尋求合適的氫原子轉(zhuǎn)移催化劑以及發(fā)展溫和的策略誘導(dǎo)自由基攫氫前體的產(chǎn)生. 廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院徐海超課題組[11]利用光電協(xié)同的方式將廉價(jià)易得的鹽酸轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氯自由基, 并以此作為自由基攫氫前體活化惰性C(sp3)—H鍵, 在不添加金屬催化劑或化學(xué)氧化劑的情況下, 實(shí)現(xiàn)了多種不同類(lèi)型雜環(huán)芳烴與烷烴C(sp3)—H的選擇性交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)(Scheme1, a). 圖式1 (a)環(huán)芳烴與烷烴的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)和(b)光電協(xié)同反應(yīng)設(shè)計(jì) 反應(yīng)的設(shè)計(jì)思路如下: 氯負(fù)離子在陽(yáng)極氧化生成氯氣,光照促進(jìn)氯氣分解成氯自由基.經(jīng)歷氫原子轉(zhuǎn)移的過(guò)程產(chǎn)生的碳自由基加成到質(zhì)子化的氮雜芳烴生成自由基陽(yáng)離子中間體, 然后在氯自由基的作用下再次芳構(gòu)化得到兩者的偶聯(lián)產(chǎn)物, 在此過(guò)程中失去的質(zhì)子能夠在陰極還原產(chǎn)生氫氣(Scheme 1, b). 反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在于: 一方面, 鹽酸的鍵解離能相對(duì)較大(102 kcal?mol－1), 使得氯自由基能夠與一系列活化或未活化的C(sp3)—H鍵作用; 另一方面, 低濃度的氯氣連續(xù)在陽(yáng)極生成和分解可以避免有害氣體氯氣的富集, 并降低氯氣捕獲烷基自由基產(chǎn)生烷基氯代物的可能性. 在這一設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下, 作者使用2-苯基喹啉和環(huán)己烷作為模板反應(yīng)底物, 經(jīng)過(guò)對(duì)反應(yīng)條件的優(yōu)化, 發(fā)現(xiàn)在一體電解槽中以網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳(RVC)作陽(yáng)極, Pt作陰極, 在發(fā)光二極管(LED) (392 nm, 10 W)的照射下能夠以92%的產(chǎn)率得到相應(yīng)的偶聯(lián)產(chǎn)物. 在此基礎(chǔ)上, 作者考察了不同類(lèi)型烷基C(sp3)—H鍵以及雜芳烴的底物適用性. 發(fā)現(xiàn)該體系能夠適用于環(huán)戊烷、環(huán)庚烷、環(huán)辛烷和環(huán)十二烷等多種環(huán)烷烴, 此外, 降冰片烷和1,4-環(huán)氧環(huán)己烷也能夠與2-苯基喹啉發(fā)生區(qū)域選擇性的偶聯(lián), 且產(chǎn)物具有非常高的非對(duì)映選擇性. 甲苯衍生物、醚、伯醇、酰胺、磺酰胺和磷酰胺等含有活化C(sp3)—H鍵的底物也能夠兼容. 在標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)條件下, 在四氫呋喃、二醚和伯醇參與的反應(yīng)中觀察到了芐基C—O鍵的斷裂, 通過(guò)降低酸的濃度或加入催化量的CeCl3, 能夠避免一些底物在光化學(xué)條件下的這一轉(zhuǎn)化. 除了帶有不同電性取代基的2-芳基喹啉類(lèi)衍生物之外,其他苯并稠雜環(huán)芳烴, 包括異喹啉、菲啰啶、喹唑啉、喹喔啉、酞嗪、苯并噻唑和苯并噻吩、嘌呤衍生物和咪唑并[1,2-b]噠嗪, 或單環(huán)雜芳烴, 如噠嗪、嘧啶、吡嗪和吡啶基化合物均能夠與環(huán)己烷發(fā)生區(qū)域選擇性的交叉偶聯(lián)反應(yīng). 這一光電策略還能夠拓展到二氫辛可寧與生物活性化合物, 如喹諾昔芬、羅氟米特、法舒地爾和?；ㄊ娴貭柕耐榛D(zhuǎn)化. 作者通過(guò)克級(jí)反應(yīng)證明了該光電反應(yīng)體系的實(shí)用性. 由于間歇式反應(yīng)器的表面積體積比低, 會(huì)嚴(yán)重限制光穿透反應(yīng)介質(zhì), 因此難以實(shí)現(xiàn)光化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)平衡, 作者采用流動(dòng)反應(yīng)裝置很好地解決了這一問(wèn)題, 在流動(dòng)反應(yīng)裝置中可以完成1 g甚至10 g級(jí)規(guī)模的合成. 此外, 作者通過(guò)氯氣捕獲實(shí)驗(yàn)和遮光實(shí)驗(yàn)證明了氯氣是由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生, 且對(duì)后續(xù)的脫氫烷基化過(guò)程起著至關(guān)重要的作用, 作者也利用烷基自由基捕獲實(shí)驗(yàn)證明了烷基自由基是反應(yīng)的關(guān)鍵中間體. 綜上所述, 徐海超課題組通過(guò)對(duì)反應(yīng)的巧妙設(shè)計(jì), 充分利用光化學(xué)和電化學(xué)合成的優(yōu)勢(shì), 發(fā)展了光電協(xié)同促進(jìn)的惰性C(sp3)—H鍵活化新方式, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了雜環(huán)芳烴與脂肪族碳?xì)滏I的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng), 這一光電協(xié)同反應(yīng)體系具有廣泛的底物適用性. 使用流動(dòng)反應(yīng)裝置可以實(shí)現(xiàn)10 g級(jí)規(guī)模的合成, 充分顯示了這一合成策略在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力. 該方法避免了化學(xué)氧化劑的使用, 為雜環(huán)芳烴的官能團(tuán)化提供了簡(jiǎn)單、綠色、高效的方式, 同時(shí)也為光電協(xié)同催化在有機(jī)合成領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)拓了廣闊的前景. 廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院徐海超教授課題組
該文發(fā)表在Chin.J.Org.Chem.2020,40(10):3471-3472. DOI:10.6023/cjoc202000064,
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