本文作者：芃洋雪
导读
非共轭脂肪族烯烃进行光环化反应仅有铜催化的Salomon–Kochi反应，但标准的[Cu(OTf)]2•苯催化剂对空气敏感，易于光降解，并且在大位阻的烯烃底物活性较低。最近，威斯康星大学麦迪逊分校Tehshik P. Yoon课题组开发了新的铜催化剂体系，反应活性和光稳定性都增强，用于合成复杂的环丁烷结构以及天然产物，论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
Olefin-Supported Cationic Copper Catalysts for Photochemical Synthesis of Structurally Complex Cyclobutanes
Christopher Gravatt, Luis Melecio-Zambrano, Tehshik Peter Yoon*
Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI：10.1002/anie.202013067
正文
环丁烷结构广泛存在于天然产物中，目前已知有2600多种天然产物含有环丁烷结构，这也促进了这类化合物的合成研究。其中光化学[2+2]环化反应是重要的方法，包括以下活化方式：
（1）在可见光或近紫外光下直接光活化烯烃化合物；
（2）三线态光敏化 具有三线态能量足够低的底物三线态敏化进行Dexter能量转移；
（3）光引起的电子转移生成烯烃自由基离子的光氧化还原反应。
然而所有这些活化模式需要π共轭烯烃底物，非共轭的脂肪族烯烃通常需要短波长（<200 nm）激发进行比光学跃迁，而商业化UV光反应器通常不适用，与此同时，通常需要高能量的三线态激发态（76–84 kcal/mol）和电化学电势，常规光氧化还原催化剂也难以实现。
目前，仅有的一个脂肪族烯烃的[2+2]光环加成反应为Salomon–Kochi反应，使用Cu(OTf)催化剂，关键中间体为2:1的烯烃-铜络合物，可以吸收270 nm的紫外波长。尽管，Salomon–Kochi光环化反应应用在一些全合成中，但反应条件并未研究彻底，窄的底物范围也限制了它的应用。成功的环加成需要形成不稳定的铜双烯烃络合物，而且大部分底物结构会使络合物失稳，从而阻碍了反应进行。大体积的烯烃结合到铜上的效率较差，底物范围窄，需要化学家的努力克服这个障碍，拓展应用范围。
图1. Salomon–Kochi反应和催化剂. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
光环化反应的关键是催化剂，对这类催化剂，铜(Ⅰ)阳离子和双(烯烃)络合物中间体需要抗衡离子的协调能力。因此，作者推测比三氟乙酸基络合能力弱的配体，可能使铜(Ⅰ)更亲电，使大体积的烯烃可以反应。
1 催化剂设计和筛选
图2. 弱配位银盐原位生成催化剂的优化. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
催化剂筛选实验如图2所示，作者首先尝试二烯1这个底物（弱Samlomon底物），Salomon–Kochi反应条件中的1 mol% [Cu(OTf)]2•苯得到28%的环丁烷产物。延长激发时间没有提高收率，但发现了铜催化剂的降解。铜(Ⅰ)络合物弱配体阴离子可能增加反应速率，因此，选择合适的配体，并合成出这类催化剂是关键。二烯配体如环辛二烯COD能够稳定高度缺电子的铜(Ⅰ)中心，而且没有产生竞争性的低能量转移状态。作者又尝试 [Cu(COD)Cl]2与Ag(Ⅰ)盐发生阴离子交换反应，原位生成催化剂，代替对空气和湿气敏感的[Cu(OTf)]2•苯催化剂。[Cu(COD)Cl]2和AgOTf原位生成的催化剂与标准[Cu(OTf)]2•苯催化剂（entry 3）类似，并且延长激发时间并没有发生降解，说明双烯配体确实可以稳定铜(Ⅰ)中心。筛选过弱配位阴离子（WCAs）后发现，与共轭酸的气相酸性相关（entries 5–7），酸性越强，收率越高，最优的AgSbF6，反应时间也可缩短到0.5 h（entry 8）。随后发现，单独制备出Cu(COD)2SbF6作为催化剂的收率大幅下降（entry 9），而且对照发现每个试剂和计量比都有作用（entries 10-14）。
2 底物研究
图3. 催化的光环合反应的范围和对比. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
新催化剂体系进行光环化反应的底物范围如图3所示。对于1,6-七烷烃结构（2–8），[Cu(COD)Cl]2/AgSbF6体系优于标准的[Cu(OTf)]2•苯催化剂，特别是对于大体积的底物，催化体系可以兼有的官能团有羟基、酰胺、酯、硼酸酯、保护的醇等。
3 立体化学研究
图4. 非对映异构体的起因. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
烯烃底物的立体化学在反应后失去，如trans-底物26和cis-底物28，都以较高的收率得到非对映异构体，但主要的异构体还是有差异，经过仔细研究，烯烃的异构化发生在光化学的激发阶段，环加成反应是立体专一性的，如图4所示。
4 反应应用
图5. 具有空间位阻的天然产物关键环丁烷3的环合反应.
图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
这个新催化体系，可用于合成复杂的环丁烷天然产物，如图5所示。如合成天然产物sulcatine G 的关键环，收率高达98%，因烯丙基羟基的配位作用，形成高度立体anti构型的桥环结构（30）。也可以高收率得到perforatol的环，而且为单一异构体（32）。
总结
威斯康星大学麦迪逊分校Tehshik P. Yoon课题组设计了新的铜催化剂体系，取代烯烃进行铜催化的Salomon–Kochi光环合反应生成环丁烷结构，弱配位的SbF6–抗衡阴离子提高了反应活性，易于生成铜双烯烃络合物，尽管弱配位的阳离子铜(Ⅰ)盐在反应条件下降解，但COD配体稳定了铜中心，从而不发生竞争性的电子从配体向金属转移的反应。
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