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北理工夏中华课题组Chem Sci:光诱导inverse Sonogashira偶联反应

炔烃是有机化学中重要的化合物,在有机化学中研究引入碳-碳三键的方法具有重要的意义。传统上,Sonogashira偶联反应用于以芳基卤化物和末端炔烃之间形成C(sp)-C(sp2)键。近年来,过渡金属催化的inverse Sonogashira偶联反应、光诱导的Sonogashira 反应以及SOMOphilic 炔基化反应,成为引入炔基的新方法(图1a-c)。


自从1900年Gomberg 发现三苯甲基自由基以来,自由基化学的“理性”时代便开始了。现在,自由基反应,尤其是涉及 C(sp3) 和 C(sp2) 的自由基反应,在药物化学、农业化学、材料科学和其他学科得到了广泛应用。然而,C(sp) 自由基仍然是一种令人困惑的物种。由于C(sp)炔基自由基的能量非常高(BDE(Csp-H) > 130 kcal mol-1)、寿命极短、有限而苛刻的制备方法,使得炔基自由基仍然是一种难以捉摸的物种,仅存在于一些极端环境中,如外太空和石化工业。虽然炔基自由基已被认为是一些炔基化反应的中间体,但是这些反应的机理大多是基于推测,普遍缺乏证据,使得炔基自由基长期以来被有机化学家所忽视。


2019年,Fensterbank夏中华合作报道了 Au(I) 和 Ir(III) 催化的邻-炔基苯酚与碘代炔烃的炔基环化反应,首次提出了光敏化能量转移(photosensitized energy transfer)促进碘代炔烃对于金 (I) 配合物的氧化加成(Nat. Chem.201911, 797-805, 点击阅读详细)。

图1. 炔基化的新方法。图片来源:Chem. Sci.


最近,北京理工大学夏中华课题组报道了一种无需过渡金属和光催化剂,可见光照射下的炔基化反应:碘代炔烃在光照下成为激发态,这种激发态的碘代炔烃是一种“炔基自由基合成等价物(alkynyl radical synthetic equivalent)”,对芳烃、杂环芳烃和烯烃进行inverse Sonogashira 偶联反应。机理实验和计算化学表明,反应经历了“炔基自由基型(alkynyl-radical type)”转移(图1d)。相关研究成果发表在Chemical Science 上。


首先,作者选择对氟苯乙炔碘2和1,3,5-三甲氧基苯1为模式底物对反应条件进行优化,通过大量的条件筛选(图2),确定了反应条件:在可见光照射下,对氟苯乙炔碘(0.2 mmol)、1,3,5-三甲氧基苯(5 equiv.)、氟化铯(2.5 equiv.),在DCE(0.03 M)室温下反应70 h。在最优条件下,作者考察了该反应的底物范围,包括碘代炔烃的底物范围(图2),以及未活化的芳烃、杂环芳烃、烯烃的底物范围(图3)。

图2. 反应条件筛选和碘代炔烃底物范围。图片来源:Chem. Sci.


图3. 芳烃、杂环芳烃、烯烃底物范围。图片来源:Chem. Sci.


随后,作者提出了三种可能的反应路径(图4)。第一种是光诱导氧化过程,基态的碘代炔烃在可见光下变为激发态,其作为氧化剂氧化另一底物(图4a),Wase课题组最近用EBX试剂验证了该过程。第二种是光诱导均裂直接生成炔基自由基和碘自由基(图4b)。第三种路径,考虑到炔基自由基能量过高(BDE(Csp-H)﹥130 kcal mol-1),在蓝色LEDs照射下,激发态的碘代炔烃成为一种“炔基自由基合成等价物(alkynyl radical synthetic equivalent)”参与反应,而不是“游离的炔基自由基(free alkynyl radical)”(图4c)。

图4. 可能的反应途径。图片来源:Chem. Sci.


为了探究该反应的机理,作者进行了一系列的机理研究(图5)。自由基抑制实验和自由基钟实验证明该反应经历了“炔基自由基”过程;EPR实验捕获到了“炔基自由基”信号;紫外-可见光吸收光谱证明碘炔是唯一在可见光范围有吸收的物质。因此,该反应经历了“炔基自由基”的过程,排除了第一种光诱导氧化过程(图4a)。

图5. 机理验证实验。图片来源:Chem. Sci.


并且,作者通过DFT计算证明了该反应经历的是路径c“炔基自由基型”转移而不是路径b“游离的炔基自由基”(图6)。计算发现,激发态的碘代炔烃2*通过“炔基自由基型”转移途径c相对容易发生,其活化能2*和过渡态能量TS低于通过均裂产生“游离炔基自由基Int-3”途径b的能量(56.5 和 59.7 vs 79.3 kcal mol-1)(图6)。在可见光照射下,激发态碘代炔烃的几何结构发生了弯曲,直线型的I–C–C键变为130°,并作为“炔基自由基合成的等价物”,通过协同模式的过渡态与苯发生反应,生成环己二烯基自由基中间体。此外,计算表明Csp-I 键的键解离能(BDE Csp-I)为 79.3 kcal mol-1,即苯基碘乙炔会在 361 nm 光照下发生均裂,而不是在可见光区域。最终的反应机理,如图7所示。

图6. DFT计算。图片来源:Chem. Sci.


图7. 可能的反应机理。图片来源:Chem. Sci.


总结


本文报道了在可见光照射下碘代炔烃和(杂环)芳烃或烯烃在无过渡金属和光催化剂下的inverse Sonogashira偶联反应。尽管炔基自由基长期以来被认为是一种难以捉摸的物种,本文工作表明,在可见光照射下光活化的碘代炔烃通过“alkynyl-radical type” 转移,比“free alkynyl radical”更有可能与一系列C(sp2)-H键反应。激发态碘代炔烃弯曲的C-C-I 键结构,使其变得非常活泼,并作为“炔基自由基合成等价物”参与反应,已通过自由基钟实验、EPR实验、光学和理论计算成功地对其进行了捕获与验证。因此,这项工作直接支持了“alkynyl-radical type” 转移。本文描述的在可见光照射下通过“alkynyl-radical type” 转移的inverse Sonogashira 偶联反应,为自由基化学和炔基化领域打开了一扇新的大门。


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):

Photoinduced inverse Sonogashira coupling reaction

Lizhu Zhang, Cunbo Wei, Jiawen Wu, Dan Liu, Yinchao Yao, Zhuo Chen, Jianxun Liu, Chang-Jiang Yao, Dinghua Li, Rongjie Yang, Zhonghua Xia*

Chem. Sci.2022, doi.org/10.1039/D2SC01933G


导师介绍


夏中华,北京理工大学材料学院特别研究员,博士生导师。中国科学院广州生物医药与健康研究院硕士,导师朱强;法国索邦大学Sorbonne Université博士,导师Louis Fensterbank;日本东京大学特任研究员Project Researcher,合作导师Shū Kobayashi。研究领域包括过渡金属催化(金催化),光化学与绿色催化,高分子聚合与有机新材料,阻燃材料等。以第一作者或通讯作者在国际权威期刊上发表了SCI论文多篇,包括Nature Chemistry, Chemical Science, Organic Letters等。


https://mse.bit.edu.cn/szdw/jgml/zrzxg/150114c0070943dd8aa48c410334b131.htm 

https://www.x-mol.com/groups/xia_zhonghua?lang=zh 


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