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催化计 · 公众号 · · 2024-08-09 21:36

正文

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均相催化与酶催化群-2： 929342001

第一作者： Yuanrui Wang

通讯作者：吴小锋研究员

通讯作者单位：中国科学院大连化物所

图 1. 反应的示意图

CO 是多功能的 C1 化学品， CO 的活化和转化受到了广泛关注。通常人们主要关注于发展的催化体系是首先活化 CO ，随后使用酰基中间体和亲核试剂捕获活化的 CO ，实现羰基化。

有鉴于此， 中国科学院大连化物所吴小锋研究员等 发展了新型 CO 转化方法学，这种方法使用可见光引发羰基化的自由基接力重排反应，该反应的 CO 插入步骤是官能团迁移反应的关键步骤。羰基官能团插入碳自由基的过程实现了杂芳基的自由基转移，而且转移的自由基能够让碳自由基更有效的捕获 CO 。通过这种合成方法成功在温和反应条件下合成一系列含有氟烷和杂环结构的 1,4- 双羰基化合物，而且生成的 1,4- 双羰基化合物能够转化为杂环芳烃的联芳基化合物，从而说明该反应平台的前景。

作者介绍

吴小锋 ，中国科学院大连化物所研究员。 2009 年毕业于法国雷恩第一大学，获硕士学位； 2012 年毕业于德国罗斯托克大学 - 莱布尼兹催化研究所，获得自然科学博士学位。毕业后留所开展独立研究， 2017 年完成法国雷恩第一大学的 Habilitation ，获得教授资格。 2020 年加入大连化物所，担任催化羰基化研究组组长。吴小锋长期致力于一氧化碳等小分子的转化反应研究，主要集中在廉价金属催化的羰基化转化、羰基化环化反应、新型羰源的开发等方面。研究方向：（ 1 ）一氧化碳向精细化学品的高效转化；（ 2 ）生物质能源向一氧化碳的转化；（ 3 ）小分子的活化；（ 4 ）聚合物的定向降解。在 Angew. Chem., JACS, Chem 等学术期刊上发表论文 550 余篇，文章被引频次 17000 余次， h 指数 65 ，出版编著 10 余本专著，入选 2022“ 中国高被引学者年度榜单 ” ， 2023 年全球前 2% 顶尖科学家榜单， 2024 年入选英国皇家化学会会士（ FRSC ）。

反应设计

图 2. 反应的设计

作者设计尝试将羰基化和重排反应结合的方法学。羰基化和重排反应的结合具有一系列优势： CO 引入碳链能够拓展 CO 官能团化方法学的应用，提供更加丰富的羰基化反应模型；

通过杂芳基官能团的转移能够将远离反应位点的芳基 / 杂芳基转移到羰基位点；使用 CO 提供羰基，能够在温和的反应条件合成含有氟烷基、杂环结构的 1,4- 双羰基化合物（传统的自由基羰基化反应需要更加苛刻的反应条件），而且产物能够转化为联芳基化合物。

作者认为芳基 / 杂芳基官能团的 1,4- 转移并且进行增加碳链长度需要克服多个挑战。 首先除了碳中心自由基与 CO 气体羰基化， γ-OH 碳中心自由基可能发生 β- 切断反应，生成热力学稳定的 α-OH 碳中心自由基；其次，羰基化形成的酰基自由基能够与烯丙醇的芳基均裂取代基反应生成苯并环己酮；此外，酰基自由基中间体能够氧化或者分子内环化生成 γ- 环内酯，产生竞争性的反应路径。

基于这些挑战和困难，设计了可见光催化自由基接力羰基化 - 芳基 / 杂芳基转移反应。通过 CO 的自由基接力羰基化，实现碳链增长。这种选择性 CO 插入反应有助于官能团的迁移，而且官能团的转移同时促进 CO 被碳自由基捕获。

反应优化

图 3. 反应优化

作者设计了含有烯丙基和苯并噻唑的三级有机醇作为反应物（苯并噻唑能够作为自由基重排反应的迁移官能团，烯丙基取代基的三级醇无法进行 1,3- 迁移）。使用 Togni II 试剂用于提供 CF ₃ ，在可见光和 40 bar CO 中进行反应。 结果显示，反应能够按照设计的过程进行。

随后经过优化反应条件，得到最好的反应条件，其中 1 倍量的三级醇 1a 和 4CzlPN (2 mol %) ，加入 1.5 倍量 Togni 试剂 II ，乙腈作为溶剂，在室温下进行光催化。作者发现常用的 Ru 和 Ir 光催化剂虽然能够驱动该反应，但是只能得到中等产率。而且，反应需要比较高的 CO ，当 CO 的压力从 40 bar 降低至 20 bar ， 2a 的产率降低至 51 % 。反应在没有光催化剂或者没有光照射的情况下无法进行。

图 4. 放大量反应

该反应能够适用于放大量的合成条件。而且，当使用含有氰基的原料，能够生成含有氰基的化合物。

反应能够对生物活性化合物进行修饰。该反应能够将一系列 α- 溴 -α,α- 二氟酰胺（生物活性化合物）转化为含氟的 1,4- 双羰基化合物。这些化合物的合成说明，这种合成方法在有机合成的 CO 羰基化的前景。

图 5. 修饰生物活性化合物

反应机理

图 6. 机理研究

通过一系列动力学实验和位点选择性实验研究反应的动力学竞争路径和反应的位点选择性。

在优化的反应条件，双高烯丙基醇（ 1ay ）和烯丙醇（ 1az ）的反应结果显示没有 CO 插入的迁移是主要的过程。这个现象是因为五元环 / 三元环过渡态有助于迁移反应。当 1a 、双烯丙基醇、 Togni II 试剂以 1:1:1 的比例反应， 2a 产物的产率为 48 % 。这个结果说明羰基化 1,4- 迁移反应的速率比 1,4- 直接迁移反应的速率更快。

在 1a 分子中引入甲基官能团， 1ba 在优化条件反应时，没有发现迁移产物，但是生成切断 β- 化学键的产物 12 。在分子的烯烃位置加入甲基，能够提高三级碳自由基的稳定性，但是导致更高的立体位阻，影响捕获 CO 。结果显示，二级碳自由基捕获 CO 的动力学比切断 β- 化学键的反应速率更快，但是三级碳自由基物种的情况与之恰好相反，三级碳自由基捕获 CO 的速率比切断 β- 化学键的速率更慢。实验结果说明相比于立体位阻效应更高的 b 位点，在立体位阻较弱的 a 位点容易发生反应，并且能够生成稳定的三级碳自由基。

与优化的反应条件生成 2a 相比，作者认为当体系没有 CO ，无法发生苯并噻唑迁移的产物，而是通过 C _α -C _β 切断反应生成 12 。作者分析不同 CO 的 12 和 12a 产物，说明合适的 CO 压力能够使得 CO 捕获并发生自由基转移。通过实验结果说明捕获 CO 自由基反应步骤是反应的决速步。

提出反应机理过程。当光催化存在时，可见光导致产生三氟甲基自由基，随后与 1a 烯烃生成二级碳自由基 I 。在 CO 气氛中， γ-OH 碳自由基 I 能够捕获 CO 生成酰基自由基中间体 II 。随后，插入 CO 的 II 中间体发生分子内成环反应生成 III 。 III 通过芳基化促进切断 C-C 化学键并且导致苯并噻唑迁移，生成稳定性更好的 α-OH 碳中心自由基 IV 。最终，高价态光催化剂将 IV

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