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上海交通大学叶俊涛课题组JACS:可见光驱动双重氢原子转移催化的非活化烯烃氢烷基化反应

近年来,随着光催化的快速发展,可见光诱导的氢原子转移 (HAT) 反应已经成为形成自由基的有效方法。在光驱动下,目前已经有多种直接或间接的HAT催化剂可以高效地实现氢原子攫取,但这些催化剂的攫氢物种大多是基于硫、氧、氮和卤素等杂原子的亲电性自由基 (El·),根据极性匹配原理,更易与富电子的R–H (R = C, Si, B等)键及部分电中性的烷基C–H键反应,产生亲核自由基Nu· (图1A)。而缺电子的C–H键的氢原子转移反应由于缺乏有效的亲核性HAT催化剂,目前报道较少。尽管Brian P. Roberts教授课题组在上世纪八九十年代利用电子顺磁共振系统研究了路易斯碱 (如胺、膦或硫) 的硼烷络合物与叔丁基氧自由基 (tBuO·) 的氢原子转移反应,但由于亲核性硼自由基的循环再生具有较大挑战,这类硼烷络合物催化的反应仅有几例报道。


烯烃的自由基氢烷基化反应是构筑C(sp3)–C(sp3)键的有效策略之一,也是过渡金属催化的重要补充。通过常见的亲电性HAT催化剂产生的多为亲核性烷基自由基,更易与缺电子或芳基取代的烯烃等活化烯烃反应 (如Giese反应) (图1B)。对于非活化烯烃的氢烷基化反应,则需要亲电性的烷基自由基与之加成,否则反应效率太低。目前报道大多数是使用烷基卤化物或者偶氮化物等作为自由基前体,通过单电子转移 (SET) 方式产生所需的亲电性自由基。与之相比,通过HAT催化策略则具有更好的原子经济性,但基于HAT催化的非活化烯烃的氢烷基化反应尚未报道,其主要挑战在于如何克服体系的极性不匹配问题,从而实现亲核性HAT催化剂的催化循环 (图1C)。为了解决这一问题,上海交通大学叶俊涛点击查看介绍)课题组发展了一种双重氢原子转移催化策略,即以胺–硼烷络合物作为亲核性HAT催化剂,以体系原位产生的硫醇作为亲电性HAT催化剂,通过两个极性匹配的HAT过程,巧妙地实现了非活化烯烃的光促氢烷基化反应 (图1D)。这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上,博士后雷光月和博士生许美晨为本文共同第一作者,西班牙拉里奥哈大学Ignacio Funes-Ardoiz博士为本文提供了DFT理论计算,为本文的共同通讯作者。

图1. 可见光诱导的非活化烯烃氢烷基化反应策略。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


研究发现,奎宁环硼烷络合物QB5作为最优的亲核性HAT催化剂,可以高效地实现非活化烯烃的氢烷基化反应。此反应对多种含酯基、羰基、酰胺、氰基的多种活泼亚甲基化合物以及含天然产物及药物分子衍生物的复杂烯烃等,都具有良好的官能团耐受性 (图2)。

图2. 底物范围。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


基于机理研究实验,作者提出了可能的反应机理:可见光照射条件下,激发态光催化剂*IrIII被原位产生的硫自由基I氧化,得到强氧化性的IrIV物种,该物种与QB5可能经过单电子氧化/脱质子(SET/PT)历程,或质子耦合电子转移(PCET)途径,产生硼自由基。随后,亲核性的硼自由基与底物2发生极性匹配的HAT,生成亲电自由基物种III。随后,经过与烯烃加成生成亲核性的自由基物种IV,该物种与硫醇发生第二个极性匹配的HAT,得到最终氢烷基化产物 (图3)。

图3. 可能的反应机理。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


进一步DFT计算证明胺硼烷络合物和底物之间的氢键对于提高反应产率具有重要作用 (图4)。计算表明,不同奎宁环硼烷的B–H 键的键能几乎无差异 (约100 kcal/mol),且无反应活性的丙酸甲酯的α位C–H的键能 (90.4 kcal/mol) 比丙二酸酯的活性氢的C–H键键能 (93.9 kcal/mol) 更低,由此说明反应活性差异并不是由键能差异引起的。另一方面,3位含羟基的奎宁环硼烷络合物 (如QB2) 与底物之间可以通过氢键作用形成加合物,该加合物比单独硼烷更容易被氧化,从而通过SET/PT或PCET过程产生所需的硼自由基,进而促进后续HAT反应及加成反应。

图4. 氢键作用促进了硼自由基的形成。图片来源:J. Am. Chem. Soc.


小结


叶俊涛课题组通过可见光驱动的双重氢原子转移催化策略,发展了一种与Giese反应互补的非活化烯烃的氢烷基化反应。实验和理论计算结果表明胺硼烷催化剂和底物之间的氢键作用对提高反应产率起着重要作用。同时,这种双重HAT催化循环策略有可能可以进一步推广,以实现更具有挑战性的反应。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Hydroalkylation of Unactivated Olefins via Visible-Light-Driven Dual Hydrogen Atom Transfer Catalysis

Guangyue Lei, Meichen Xu, Rui Chang, Ignacio Funes-Ardoiz*, and Juntao Ye*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c05852


导师介绍


叶俊涛 特别研究员, 博导


2013年博士毕业于中科院上海有机化学研究所,导师为麻生明院士。随后先后在加拿大多伦多大学Mark Lautens教授、美国哥伦比亚大学Tomislav Rovis教授和康奈尔大学Tristan Lambert教授课题组从事博士后研究。2019年获中组部人才计划支持并于同年7月作为特别研究员加入上海交通大学化学与化工学院。


招聘信息

叶俊涛课题组长期招聘热爱科研的博士后及研究助理,具有自由基化学、不对称催化或计算化学研究背景者优先考虑。工资待遇根据上海交通大学相关规定执行,并根据工作业绩发放课题组津贴和年终奖金。在组工作期间表现优异者可推荐至国外一流科研单位访问交流或继续深造。有意者请将个人简历和研究总结(pdf格式,文件名为:xx个人简历,xx研究总结)发送至juntaoye@sjtu.edu.cn,并注明姓名+应聘岗位。


叶俊涛课题组主页:

https://www.x-mol.com/groups/Ye_Juntao 


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