作者:李洋等 来源:《化学》 发布时间:2023/7/26 12:41:55
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有机电荷转移复合物诱导芳基羧酸化学选择性脱羧官能团化

 

2023年7月24日,西安交通大学李洋教授课题组与中国科学院上海有机化学研究所薛小松研究员课题组及中国科学院理化技术研究所叶晨博士合作,在Chem 期刊上发表了题为“Organic charge-transfer complex induces chemoselective decarboxylation to aryl radicals for general functionalization”的研究成果。

该成果报道了色胺酮衍生物与芳基羧酸负离子通过n-π*和π-π相互作用形成电荷转移复合物,可见光照射下诱导芳基羧酸化学选择性脱羧产生芳基自由基进行官能团化反应。机理研究表明:在可见光照射下,复合物历经单线态、三线态进行单电子转移;芳基羧酸自由基对芳环加成反应是一个二级反应,是芳基羧酸自由基脱羧强有力的竞争反应,在该转换中,三线态复合物可能显著降低了加成竞争反应,从而诱导选择性脱羧产生芳基自由基。

西安交通大学前沿科学技术研究院博士研究生胡春红,中国科学院上海有机化学研究所博士研究生桑岳千和西安交通大学电子与信息学部电子科学与工程学院、动力工程多相流国家重点实验室助理教授杨亚威博士为该论文的共同第一作者,论文的通讯作者是李洋教授、薛小松研究员、叶晨博士,吴骊珠院士为文章的共同作者。

芳基化反应广泛应用于天然产物、药物和功能性材料合成等领域。而芳基自由基作为一种便利的芳基化前体,可以进行多种芳基化反应。可见光诱导芳基自由基参与的芳基化反应因为具有反应条件温和的特点,相比过渡金属热催化芳基化反应更具有吸引力。现阶段,通过光诱导产生芳基自由基的前体集中在芳基重氮盐、芳基卤代物、芳基三氟甲磺酸酯、芳基硼酸、芳基硫鎓盐、芳基磺酰氯、芳基碘鎓盐等,但这些前体存在不稳定、价格较为昂贵或合成步骤较为繁琐等问题。相比之下,芳基羧酸具有性能稳定、易于通过生物质衍生物或简单合成路线制备的特点。如果能够通过可见光诱导芳基羧酸产生芳基自由基进行芳基化反应,将提供一种在温和条件下高效便利的芳基化方法。然而芳基羧酸自由基脱羧速率仅仅约为105 s-1~106 s-1,明显低于芳基羧酸自由基发生氢原子转移速率及对芳环加成的速率(分别约为105 M-1s-1~107 M-1s-1、106 M-1s-1~108 M-1s-1)。前者可以通过使用弱的氢原子转移溶剂,如乙腈得到抑制;后者通过额外的合成步骤,使用当量的活化试剂,将芳基羧酸转化为芳基酰溴或芳基羧酸酯,发生协同均裂碎片化得到芳基自由基。因此,室温下利用可见光催化芳基羧酸直接脱羧产生芳基自由基进行芳基化反应具有挑战性(图1A)。近年来,已有个例光催化芳基羧酸直接脱羧及芳基官能团化的报道,但是对于芳基羧酸自由基直接脱羧的本质尚缺乏研究。

论文作者受核黄素类化合物与烷基羧酸通过相互作用形成电荷转移复合物发生快速电子转移脱羧的启发(图1B),发展了利用色胺酮衍生物与芳基羧酸负离子通过n-π*和π-π相互作用形成电荷转移复合物,在可见光照射下诱导芳基羧酸化学选择性脱羧官能团化反应。该反应具有底物范围广泛、条件温和、无需过渡金属、原子经济性高等优点(图1C)。

图1:光诱导芳基羧酸直接脱羧的挑战及解决方案。

作者通过多项实验开展了反应机理研究。先后经过一系列控制实验、紫外-可见吸收光谱、荧光淬灭实验、时间分辨光谱实验和密度泛函理论(DFT)计算(图2和图3),阐明了色胺酮类衍生物与芳基羧酸负离子通过n-π*和π-π相互作用形成电荷转移复合物,在可见光照射下,历经单线态—三线态进行单电子转移,三重态复合物可能显著减缓了强有力竞争反应—芳基羧酸自由基对芳环加成的速率,从而选择性脱羧生成芳基自由基,实现了芳基羧酸直接脱羧及脱羧氘化反应、芳基羧酸脱羧芳基化反应、硼化反应和卤化反应(图4)。该工作为芳基羧酸脱羧多样化官能团化提供了新的催化策略,也将启发光诱导自由基选择性转换的研究。

图2:初步机理研究。

图3:进一步通过DFT计算及时间分辨光谱实验提出可能反应机理。

图4:光诱导芳基羧酸直接脱酸官能团化底物研究。

该工作得到国家自然科学基金项目(Nos. 22171221, 22122104, 22193012, 21933004)、陕西省杰出青年科学基金项目(No: 2022JC-07)、中央高校基本科研业务费(No: xpt022022007)和中国博士后科学基金(No. BX20200266)的资助。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.06.022

 
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