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有机合成中的三股非常规力量(上)-光

本文作者:芃洋雪

有机合成的核心是将简单的反应物或试剂组合,经过选择性反应成为更复杂的分子,反应成功的关键是克服反应能垒,这需要向反应体系提供能量,通常的做法是加热,因此,在有机实验室中最常见的情形是反应油浴中放个烧瓶。但近几年来,其他供能方式开始出现,尤其是光、电和机械三种力量。最近来自澳大利亚国立大学Australian National University的Michelle Coote教授和University of Tasmania塔斯马尼亚大学 Alex Bissember博士介绍了其中的典型代表反应,

Synthetic applications of light, electricity, mechanical force and flow

Johnathon C. Robertson, Michelle L. Coote & Alex C. Bissember

 Nature Reviews Chemistry, 2019, 3, 290–304 , DOI: org/10.1038/s41570-019-0094-2.

(上)可见光

近几年来,光氧化还原催化剂是活跃的研究热点。光氧化还原催化剂可以用低强度的可见光能量,用于进行有价值的合成反应。流动化学装置的发展促进了光化学反应,这种反应条件温和,而且大部分物质对可见光不敏感。虽然反应物会吸收紫外光,但不吸收可见光,可以减少不必要的副反应,下面介绍几例光催化反应。

光催化不对称反应

通常情况下,光化学进行的不对称合成需要两部分,除光催化剂外,还需要手性共催化剂或额外的添加物来控制手性。然而直接控制手性的也有报道,如图1a所示的铱催化剂Ir用于不对称α-烷基化反应。底物酮2和铱催化剂3结合形成中间体4,在光照下活化,Ir复合物还原溴化物2,生成的自由基被4的手性环境控制,只能通过烯醇平面结构的一面反应,从而得到光学纯度的产物5,如图1a所示。这个反应的关键是光活性的手性Ir复合物的绝对立体结构一直保持[1]

图1a. 手性Ir复合物催化不对称α-烷基化反应. 图片来源:Nature Reviews Chemistry

再一个反应例是Cu和商业化手性膦(S)-8介导的手性合成C-N键偶联反应。原位生成的手性光活性试剂是立体选择性转化反应的关键,在这个反应案例中,电子从光活化的Cu咔唑盐上转移,将6还原为Cl和烷基自由基,然后和Cu咔唑盐偶联,再通过对映体收敛转化的形式转化为10,如图1b所示[2]。这是首次用光活性的Cu咔唑盐催化C-N偶联反应。

图1b. Cu和手性膦介导的不对称消旋烷基卤化物和吲哚/咔唑的C-N键偶联反应.

图片来源:Nature Reviews Chemistry

连续光介导的电子转移

具有较大还原电位的底物,需要光催化剂具有足够强的光还原能力(E<-2.0V vs饱和甘汞电极SCE),这需要开发利用高度还原性的光介导的电子转移过程。例如氢化脱卤反应、芳基化反应、环合反应,活化的芳基卤化物11可以通过苝二酰亚胺12 perylene diimide(PDI)作为光活化的氧化还原试剂。与反应相比,机理更吸引人。激发态的PDI12*和阴离子自由基12.-说明这些化合物不能还原芳基卤化物11,然而12能够最终获得两个光子形成强还原试剂激发的自由基阴离子12.-*,它可以还原11,如图1c所示[3]。但这也有争议认为即使是12.-*还不能足以还原11完成转化反应。

图1c.光催化苝二酰亚胺PDI通过双光子途径进行氢化脱卤反应和芳基化反应,12.-*是重要的强还原剂. 图片来源:Nature Reviews Chemistry

光引发产生水合电子

水合电子是极强的还原剂,Ered=-2.6V vs SCE,可用于有机合成。Ru络合物16 [Ru(bpy)3]Cl2作为光敏剂,可以发生双光子的光反应产生水合电子,将氯乙酸酯还原,期间抗坏血酸钠NaHAsc作为辅助还原剂,将光激发态的[16]2+*还原为[16]+,绿色激光激发[16]+吸收第二个光子,产生水合电子[4]。这个反应条件还可以进行其他还原反应,如氢化脱氟反应,羰基还原,以及其他还原电势低于-2.0V vs SCE的底物氢化反应。

图1d. 温和条件下Ru络合物生成水合电子还原氯乙酸酯. 图片来源:Nature Reviews Chemistry

光氧化还原催化中的脉冲式辐射

在光催化领域,大量的研究集中在开发新型催化剂、共催化剂或者添加物增强反应活性,扩大反应应用范围等。这些努力都用到了高功率的光源或发光二极管LEDs,以持续发出UV或者固定波长的可见光。而LED脉冲辐射,增强了光合成的活性,促进了光化学的产生和成长。例如在一项自定义多相电路研究,分别用100KHz,10KHz和1Hz的可见光辐射进行25%的循环,先开25%时间,然后再关75%时间。脉冲辐射进行α-氨基的C-H/C-F双官能团化反应,激发频率越低,反应速率越低,甚至不能完全转化。常规的蓝色LED光持续照射,也不能完全转化,增加反应时间至65h的收率为61%。随后的扩大化研究中发现,脉冲LED辐射在大多数反应中都能增强效率,目前具体原因现在还未知,可能和激发态中间体相关[5]。与之类似的是脉冲IR红外辐射可以选择性激发醇的νOH,加速转化为氨基甲酸乙脂和聚氨酯。

图2a. 脉冲蓝光LED辐射下铜光氧化还原催化剂催化的α-氨基的C-H/C-F双官能团化反应.

图片来源:Nature Reviews Chemistry

参考文献

  1. Huo, H. et al. Asymmetric photoredox transition-metal catalysis activated by visible light. Nature 515, 100–103 (2014).
  2. Kainz, Q. M. et al. Asymmetric copper-catalyzed C–N cross-couplings induced by visible light. Science 351, 681–684 (2016).
  3. Ghosh, I., Ghosh, T., Bardagi, J. I. & König, B. Reduction of aryl halides by consecutive visible light-induced electron transfer processes. Science 346, 725–728 (2014).
  4. Naumann, R., Kerzig, C. & Goez, M. Laboratory-scale photoredox catalysis using hydrated electrons sustainably generated with a single green laser. Chem. Sci. 8, 7510–7520 (2017).
  5. Nicholls, T. P., Robertson, J. C., Gardiner, M. G. & Bissember, A. C. Identifying the potential of pulsed LED irradiation in synthesis: copper-photocatalyzed C–F functionalisation. Chem. Commun. 54, 4589–4592 (2018).

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