新视野！光化学，再登Science！

纳米人 · 公众号 · 化学科技自媒体 · 2024-10-01 10:57

正文

编辑总结

羧酸是制备药物和精细化学品的多功能且广泛可用的原料。然而，由于其吸收边缘位于远紫外区域，羧酸的直接光化学反应性尚未得到充分利用。本文研究表明，将羧酸转化为酰基膦酸酯可以将其吸收范围移至近紫外/可见光区域，同时也提高了后续光化学反应的选择性。作者展示了多种氢原子转移和环化序列，以及环的扩展和收缩。—Jake S. Yeston

研究背景

随着光化学过程在可持续化学中的应用逐渐增多，利用光促进键形成的策略引起了广泛关注。光化学反应，特别是针对羧酸及其衍生物的光激发反应，面临诸多挑战，例如羧酸的反应性较低，且其在远紫外区域的吸收使得传统的光激发策略难以有效实施。羧酸在合成化学中的重要性使得这一领域的研究显得尤为必要，但现有方法往往限制于较窄的反应范围，未能充分发挥其潜力。

有鉴于此，美国西北大学Karl A. Scheidt团队在Science期刊上发表了题为“Photochemical phosphorus-enabled scaffold remodeling of carboxylic acids”的最新论文。他们提出了新的激活策略，通过引入磷促进剂以增强羧酸的反应性。这一创新方法旨在直接利用游离羧酸，而无需纯化，且实现了吸收谱的红移，允许在可见光或近紫外光下直接激发羧酸。通过这种方式，研究人员希望生成激活的中间体，进而通过光激发过程生成更高反应性的二自由基，减少Norrish I型反应的发生，并引入新的氢原子转移（HAT），包括[1,5]-HAT、[1,6]-HAT和[1,7]-HAT过程。

本研究解决了羧酸光激发反应中存在的低反应性和光吸收效率的问题。通过优化反应条件和引入适当的促进剂，成功实现了羧酸的多样化骨架重组。研究中采用了光激发至单重态二自由基，然后跨系统交叉以获得三重态二自由基的策略，显示出这一方法的有效性。最终，研究团队实现了α-羟基和氨基膦酸酯的高效合成，这些化合物在天然产物和药物中具有广泛的生物活性。

研究亮点

（1）实验首次将羧酸转化为酰基膦酸酯，成功实现了其在可见光或近紫外光下的光激发反应，生成了具有合成意义的三重态二自由基。

（2）实验通过使用草酰氯和三甲基膦酸酯对羧酸进行活化，随后利用光激发产生单重态二自由基，再通过跨系统交叉获得三重态二自由基。该方法显著提高了反应选择性，减少了Norrish I型反应的发生，允许实现[1,5]-HAT、[1,6]-HAT和[1,7]-HAT等多种氢原子转移反应。

（3）在针对β-和γ-氨基酸的实验中，生成的三重态二自由基通过选择性HAT过程形成中间体，进一步导致分子内自由基耦合和环化产物的形成。此外，α-脯氨酸衍生物中，优先选择的[1,5]-HAT过程生成[1,4]-二自由基中间体，进而实现了环扩展。

（4）实验结果表明，该方法在合成α-羟基和氨基膦酸酯等生物活性分子方面具有良好的应用潜力，且不需要复杂的纯化步骤。这一策略展示了羧酸光化学转化的新路径，促进了分子多样性的增加，为药物和材料科学的发展提供了新的思路。

图文解读

图1：可见光波长下羧酸骨架重组概念。

图2：反应开发。

图3：通过[1,6]-氢原子转移过程的β-和γ-氨基酸环化的底物范围。

图4：通过[1,5]-氢原子转移过程的环状α-氨基酸收缩或扩展的底物范围。

图5：机制研究。

结论展望

本文的研究为羧酸的光化学应用开辟了新的视野，展示了利用光促进羧酸骨架重组的潜力。通过将羧酸转化为酰基膦酸酯，研究者实现了吸收谱的红移，使其能够在可见光或近紫外光下直接激发。这一方法克服了羧酸传统光化学反应中的低量子效率和高能量要求等挑战。通过磷促进剂的引入，研究者有效地避免了不利的Norrish I型反应，提高了反应的选择性，并扩展了氢原子转移（HAT）反应的多样性。此外，该方法在合成具有广泛生物活性的α-羟基和氨基膦酸酯方面显示出良好的应用前景，这些化合物在药物、天然产物和农药中均有重要意义。

文献信息：

Qiupeng Peng et al. ,Photochemical phosphorus-enabled scaffold remodeling of carboxylic acids.Science385,1471-1477(2024).DOI:10.1126/science.adr0771

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