研究论文介绍

台州学院吴劼教授课题组Green Chem:光诱导实现二氧化硫插入合成炔基砜(无金属催化)

本文作者:杉杉

导读

近日,台州学院吴劼教授(原复旦大学)课题组在绿色化学杂志上发表论文,报道了在可见光照射的室温条件下(无需使用金属催化剂),即可实现4-烷基汉斯酯、二氧化硫和炔基溴化物三组分反应,制备多种炔基砜衍生物。同时,可以用偏亚硫酸氢钠作为二氧化硫替代物,均以中等至良好的产率获得相应的烷基炔基砜。机理表明,由光催化剂诱导4-烷基汉斯酯在原位产生的烷基自由基,随后进行磺酰化,再加成到炔基溴化物中并释放出溴化物,同时生成相应的烷基炔基砜产物。

A Metal-free Route to AlkynylSulfones under Photoinduced Conditions with The Insertion of Sulfur Dioxide

Xinxing Gong, Min Yang, Jin-Biao Liu, Fu-Sheng He,Xiaona Fan, and Jie Wu

Green Chem. ASAP DOI: 10.1039/D0GC00332H

正文

近年来,4-取代汉斯酯(Hantzsch)作为烷基自由基受到广泛地关注(在可见光照射下,通过单电子转移(SET),在光氧化还原催化剂催化下,4-取代汉斯酯可生成烷基自由基)。如Cheng课题组在不存在外部电子受体的情况下,实现各种烯烃与4-取代汉斯酯的光催化加氢烷基化或二烷基化反应。此外,也可将4-取代的汉斯酯的烷基引入各种小分子中。炔基砜作为重要的结构单元,因为磺酰基的强吸电子特性从而使炔基砜的三键活性增强,如炔基砜的环加成、共轭加成等反应。通常,炔基砜的产生是通过相应硫醇的氧化或亚磺酸盐与亲电试剂的反应来合成。如芳基亚磺酸盐与亲电炔基碘鎓盐反应,生成炔基砜。最近,磺酰化合物的合成已经引起了人们对二氧化硫的关注,通过使用DABCO·(SO2)2(1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷-二氧化硫)或偏亚硫酸氢钾/钠作为二氧化硫替代物。在过去几年中,从易于获得的DABCO·(SO2)2和焦亚硫酸钠/钾开始,已取得巨大地进步。早在2015年已报道由二氧化硫合成炔基砜。Waser课题组也报道了通过乙炔基苯并恶唑酮试剂、DABCO·(SO2)2和有机镁试剂的一锅两步反应成功制备芳基和杂芳基炔基砜。或者,使用含有钯催化剂的芳基碘化物代替有机镁试剂。然而,这种磺酰化-炔基化方案常常使用机金属试剂,从而存在以下弊端,如不适用对强碱或亲核试剂敏感的底物、分两步进行操作繁琐等。同时,由上述方法只能获得芳基和杂芳基炔基砜,而烷基炔基砜尚未获得。因此,开发一种在温和条件下制备烷基炔基砜策略十分需要。

因此,作者希望在温和反应条件下,通过自由基过程,实现二氧化硫插入合成含磺酰基的药物和相关化合物。如通过使用Katritzky盐作为烷基自由基前体,在光催化氧化实现二氧化硫插入合成多种砜。此外,在室温紫外线照射下,二氧化硫与芳基碘化物和甲硅烷基烯醇盐或烯丙基溴的无金属插入会导致磺化环状化合物。受4-取代汉斯酯可作为烷基自由基的启发,作者设想,在光诱导条件下,可由二氧化硫、4-烷基汉斯酯和炔基溴化物制备烷基炔基砜(Scheme 1)。首先,在可见光照射下,由光催化剂促进单电子转移(SET),从而使4-烷基汉斯酯1生成烷基自由基后(自由基引发了反应),再与二氧化硫形成烷基磺酰基自由基,将烷基磺酰基自由基加成到炔基溴化物2上,从而获得乙烯基自由基中间体A。借助于激发的光催化剂,将形成乙烯基阴离子B,最后释放出溴化物阴离子,并获得相应的烷基炔基砜产物3。本文中,作者主要研究了在室温可见光照射下,在光催化剂的存在下,由4-取代的汉斯酯、二氧化硫和炔基溴化物进行磺酰化反应的方法。此外,在光诱导条件下无需使用任何金属催化剂,同时可用偏亚硫酸氢钠代替二氧化硫,均以中等至良好的收率得到相应的烷基炔基砜。

首先,作者以4-环己基汉斯酯1a焦亚硫酸钠与(溴乙炔基)苯2a作为模型底物,进行大量的条件的筛选(Table 1)。首先,以Mes-Acr+ClO4作为光催化剂,在白色CFL(36 W)辐照的MeCN溶剂中室温反应,仅获得痕量的产物(entry 1)。然而,当使用4-CzIPN作为光催化剂时,可获得相应的烷基炔基砜产物3a(entry 2),同时,在反应过程中,未观察到4-环己基汉斯酯1a与(溴乙炔基)苯2a形成副产物,从而表明,该转化具有优异的化学选择性。此外,对其它光催化剂的筛选中(entries 3-5),如Rhodamine 6G、Acid Red 87等均未提高产率,但使用Eosin B作为光催化剂时,烷基炔基砜3a的产率可提高至58%。随后,作者继续也对不同溶剂进行了筛选(entries 6-9),但只有1,4-二恶烷作为溶剂取得相似的结果,其余溶剂如DMSO、DCE、DMF反应结果均较差。此外,当光源变为蓝色LED时,并将反应时间延长,产率可提高至87%(entries 11-13)。

在获得上述最佳反应条件后,作者开始对底物进行了扩展(Table 2)。首先,作者固定焦亚硫酸钠与(溴乙炔基)苯2a两个底物,改变不同的4-烷基汉斯酯1。使用4-环戊基汉斯酯1b、4-仲丁基汉斯酯1c时,在标准条件下均可进行相关的反应获得相应的产物3b(85%)和3c(81%)。然而,当使用4-环丙基汉斯酯时,仅观察到痕量的产物3o。随后,作者固定4-环己基汉斯酯1a与焦亚硫酸钠两个底物,研究各种炔基溴化物的底物范围。反应结果表明,所有取代均可顺利进行相关的反应,并以高收率获得所需的产物3d3n,如3d的产率为96%,3e的产率为88%等。值得注意的是,氰基也与该体系兼容,并且以71%的产率获得了相应的产物3g。然而,仅芳基乙炔基溴底物是有效的,当使用烷基乙炔基溴化物作为底物时,没有反应发生。

为了进一步了解反应的机理,作者进行了两个对照实验(Scheme 2)。首先,作者将4-环戊基汉斯酯1b、偏亚硫酸氢钠和(溴乙炔基)苯2a与3.0当量的2,2,6,6-四甲基-1-哌啶基氧基(TEMPO)在蓝色LED照射的标准条件下反应,如预期一致,反应受到阻碍,并且未观察到所需产物3b。此外,作者将2.0当量的1,1-二苯酚加入标准体系中,同样只检测到痕量产物。这些结果表明,该反应可能会经历一个自由基过程。

总结

台州学院吴劼教授课题组报道了一种光诱导的(Eosin B)的三组分(4-烷基汉茨酯、二氧化硫和炔基溴底物)自由基反应,在简单的反应条件下(室温可见光照射条件)即可一步合成多种烷基炔基砜衍生物。该反应具有以下优点,如无需使用任何金属催化剂、使用偏亚硫酸氢钠作为二氧化硫替代物、产率高、反应条件简单等。反应机理表明,由光催化剂诱导4-烷基汉茨酯在原位产生的烷基从而引发反应,随后进行磺酰化,再加成到炔基溴化物中,最后释放溴化物并生成相应的烷基炔基砜。

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