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华中科技大学吴雪松课题组Nat. Commun.:可见光氧化还原催化醇的脱氧自由基烷基化反应

醇是自然界、化工和农业产品中最普遍一类有机化合物,醇羟基也广泛存在于天然产物、生命分子和药物分子结构中。在合成化学家对烷基自由基前体的开拓中,醇一直是被广泛关注的目标分子。近年来,可见光氧化还原催化策略的快速发展为由醇脱氧产生相应的烷基自由基提供了高效的途径。然而,目前已发展的可见光促进的方法都具有底物结构局限性,普遍不适用于在温和条件下由伯醇脱氧生成非稳定的伯烷基自由基。


针对这一挑战,近日,华中科技大学吴雪松课题组报道了两步一锅法策略,以醇与廉价易得的二硫化碳能够高效生成的黄原酸盐作为自由基前体,在三苯基膦作用下,通过光氧化还原催化实现了醇与缺电子烯烃的脱氧Giese反应。该体系能够有效地适用于伯、仲、叔醇以及多种含醇羟基的天然产物和药物分子脱氧生成烷基自由基,而且可以实现多元醇中羟基的选择性活化(图1)。该策略成功的关键在于黄原酸阴离子较低的氧化还原电势、C—S键较弱的键能、以及烷氧硫羰基自由基III释放羰基硫生成烷基自由基的高反应性。

图1. 醇的脱氧自由基转化。图片来源:Nat. Commun.


作者通过筛选得到反应的最优条件:在THF溶液中,醇与等当量的NaOtBu作用去质子化,随后与二硫化碳反应生成相应的黄原酸盐。减压去除溶剂后,以[Ir(ppy)2dtbbpy](PF6)作为光敏剂,三苯基膦作为攫硫试剂,7当量的水为质子源,在30W LED蓝灯照射下,黄原酸盐与丙烯酸酯在乙腈中反应24小时能够以89%的产率得到目标化合物。该方法具有广泛的底物结构适用性,各种伯、仲、叔醇包括甲醇均能够有效地发生反应(图2)。此外,与多种缺电子烯烃反应均能以中等到良好的产率得到相应的烷基化产物(图3)。

图2. 醇的底物结构范围。图片来源:Nat. Commun.


图3. 烯烃的底物结构范围。图片来源:Nat. Commun.


多元醇结构广泛存在于天然产物和药物分子中,对其醇羟基的选择性转化是合成领域长期存在的挑战。作者发现,当使用NaOtBu作为碱时,该体系能够实现对二元醇中羟基的化学选择性活化,反应选择性优先次序为伯醇 > 仲醇 > 叔醇(图4)。

图4. 二醇的选择性脱氧烷基化。图片来源:Nat. Commun.


基于机理探究实验结果,作者提出了可能的反应机理:醇羟基在碱的作用下去质子化,与二硫化碳反应生成相应的黄原酸盐。激发态的[IrIII]催化剂通过单电子转移途径将黄原酸阴离子2氧化为相应的黄原酸自由基I,其自身被还原为[IrII]。随后,黄原酸自由基I与三苯基膦结合生成膦自由基物种II,经连续的β-裂解过程脱去三苯基硫化膦和羰基硫,得到相应的烷基自由基。烷基自由基被缺电子烯烃3捕获,形成自由基中间体IV,随后被[IrII]单电子还原,质子化后生成目标化合物,并再生[IrIII]完成催化循环(图5)。该自由基生成途径与采用黄原酸酯作为反应物的Barton-McCombie类型反应具有显著区别。

图5. 可能的反应机理。图片来源:Nat. Commun.


小结


华中科技大学吴雪松课题组发展了一锅法策略,以醇与二硫化碳反应生成的黄原酸盐作为活化官能团,在可见光氧化还原催化的条件下能够普适性地将各种伯、仲、叔醇脱氧转化为相应的烷基自由基。该方法不仅反应条件温和,试剂廉价易得,底物适用范围广,官能团耐受性好,而且对多元醇具有较好的化学选择性,可应用于药物分子和天然产物分子的后期修饰。


该研究成果近期发表在Nature Communications 上,第一作者为华中科技大学化学与化工学院博士研究生郭红梅,通讯作者为华中科技大学吴雪松教授。


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):

Selective deoxygenative alkylation of alcohols via photocatalytic domino radical fragmentations

Hong-Mei Guo & Xuesong Wu

Nat. Commun., 202112, 5365, DOI: 10.1038/s41467-021-25702-4


吴雪松教授简介


吴雪松,华中科技大学化学与化工学院教授、博士生导师。于中国科学技术大学获得学士和博士学位,先后在美国IUPUI和加州大学欧文分校从事博士后研究。在J. Am. Chem. Soc.、 Nat. Commun. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 、 Chem. Sci. 等学术期刊上发表论文17篇,论文被引用总计1300余次,多篇论文入选ESI高被引论文。


目前课题组主要研究兴趣包括:

1)有机合成新方法新反应的研究,涉及自由基化学、光化学合成、及不对称催化

2)功能高分子新材料的合成与改性

    

课题组诚招有机化学博士后、博士研究生和推免硕士研究生,热忱欢迎有志于有机合成研究的青年才俊加盟。


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