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福建物質結構研究所李綱課題組JACS：光催化還原芳基鹵代物實現(xiàn)苯乙烯羧基芳基雙官能團化
來源：化學加編輯部 陳十五 2020-05-18
導讀：近日，福建物質結構研究所李綱課題組報道了首例具有區(qū)域選擇性，由可見光驅動的，芳基鹵化物與二氧化碳對苯乙烯的還原性羧基芳基雙官能團化反應。該反應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。
可見光驅動的光氧化還原催化（PRC）是在溫和的反應條件下合成復雜有機分子的有效方法?；?/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源，通過可見光驅動的Meerwein芳基化雙官能化反應受到了人們廣泛關注（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，因此在可見光條件下，由芳基鹵化物獲得高度反應活性的芳基自由基參與上述反應尚有極大的挑戰(zhàn)。另一方面，二氧化碳（CO2）的光催化利用一直是精細化學品合成領域的研究熱點，其不僅是理想的一碳（C1）合成子并且具有可持續(xù)、儲量豐富、成本低廉、無毒等優(yōu)點。此外，CO2參與的氧化還原中性的光催化烯烴雙官能化反應可以快速合成大量含羧酸基團的生物活性分子（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，因為該反應涉及到芳基鹵代物底物的還原。由于這一挑戰(zhàn)，基于PRC策略的可見光驅動的烯烴與CO2的羧化芳基化反應尚未實現(xiàn)。受K?nig，Stephenson，Jui等人研究工作啟發(fā)，作者以廣泛易得、廉價的HCO2K為還原劑，實現(xiàn)了首例具有高度區(qū)域選擇性的可見光驅動的二氧化碳和芳基鹵化物對苯乙烯的還原性羧基化芳基化雙官能團反應，該反應能快速合成高價值的肉桂酸類衍生物（圖1c）。 圖1. 可見光驅動的烯烴雙官能團化（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）首先，作者以30 W藍色LED燈為光源，[Ir(ppy)2(dtbbpy)]PF6為光敏劑，在室溫下，一個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（圖2）。經(jīng)過對反應條件的深入研究，作者發(fā)現(xiàn)添加氫轉移催化劑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，該反應以78％的分離收率得到目標產(chǎn)物（entry 1）。在沒有光催化劑或光的情況下，無法檢測到產(chǎn)物生成，表明了這是光驅動反應（entry 2和3）。研究表明HCO2K/DABCO的組合可能是該反應的有效電子供體。 圖2. 反應條件的優(yōu)化（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）有了最優(yōu)反應條件，作者對該反應的底物適用性進行了考察（圖3）。首先作者發(fā)現(xiàn)多種給電子取代基和吸電子基團均能適用于該轉化，并無太大差異（圖3，化合物2-33）。此外不僅二級烷基鹵化物，碘代萘，溴代萘均能參與反應，帶有氯或硼酸酯基團的芳基碘化物或者溴化物對于該轉化也能兼容（圖3，化合物15-18），這為進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α-取代苯乙烯影響很小，均能高效參與反應，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（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）根據(jù)這些結果，作者進一步測試了雜環(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產(chǎn)物（75和76）。更重要的是，該反應對于不同取代的吡啶基團均有良好的兼容性，大大拓展了它的實際應用空間。圖5. 雜環(huán)底物適用性研究（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）為了證明該反應的潛力，作者還測試了活性較低的芳基氯化物在可見光驅動的光催化反應中的表現(xiàn)（圖6）。對于一些缺電子的芳基氯代物，該反應仍然可以給出較好的收率，這將有利于降低實際成本。 圖6. 芳基氯化物底物適用性研究（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）在測試完該反應的底物適用性之后，作者緊接著研究了反應機理。熒光淬滅實驗證實了激發(fā)態(tài)的銥催化劑由DABCO淬滅?？刂茖嶒炛?，當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則表明該反應可能有芐基自由基物種產(chǎn)生（圖7c）。同位素標記實驗與使用對氟苯乙醛作為親電試劑（圖7d，e）實驗間接證明芐基陰離子中間體的存在。 圖7. 機理研究以及放大反應（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）在之前的實驗基礎上，作者提出了可能的反應機理（圖8）。在藍光照射下，銥催化劑被激發(fā)為激發(fā)態(tài)光敏劑，進而被DABCO還原淬滅得到還原態(tài)光敏劑B和DABCO自由基陽離子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)生親核加成反應生成羧酸鹽H，最后酯化得到目標產(chǎn)物。但是，作者也明確指出，芐位自由基F可能會先于CO2發(fā)生自由基加成，然后通過單電子轉移被還原態(tài)光敏劑B還原最終得到目標產(chǎn)物。圖8. 可能的反應機理（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）總結：李綱研究員課題組開發(fā)展了首例可見光驅動的高效區(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化反應，這種強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，烷基鹵化物和廉價的芳基氯化物，這將為新的二氧化碳光催化利用反應提供新的研究思路。
撰稿人：陳十五
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