近日，国际化学期刊Science Advances（Sci. Adv.）在线发表题为 “A general photoinduced manganese- catalyzed platform for the sequential difunctionalization of [1.1.1]propellane” 的研究论文。该工作由杭州师范大学章鹏飞和浙江大学王华敏团队合作完成。

正文

双环[1.1.1]戊烷（BCP）作为苯环的三维生物电子等排体，具有重要的药物化学价值；而磺酰基则是诸多已上市药物中的核心药效基团。将这两类优势结构单元有机结合，有望显著提高分子的代谢稳定性，并增强其整体成药潜力。然而，目前合成含磺酰基BCP衍生物的方法仍存在明显局限：单取代产物的制备通常依赖繁琐的氧化步骤，且所用氧化剂安全隐患较大；双取代衍生物的合成则高度依赖于特定双官能化试剂，限制了分子骨架的多样性；此外，传统策略多采用贵金属光催化剂，且单电子转移（SET）机制容易引发不良副反应。受配体促进光诱导锰催化等前期研究（Fadeyi et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15309; Wang et al., Science 2018, 362, 225; Xie et al., Nat. Synth. 2022, 1, 475; Zhang et al. Green Chem. 2023, 25, 4122）的启发，团队通过调控配体以优化锰中心的电子密度和空间环境，成功构建了高效的锰催化体系，实现了[1.1.1]螺桨烷的可控双官能化。该催化平台兼容氢、氯、溴、碘、氰基、芳硫/硒基、杂芳基、芳酰基、偶氮等多种官能团，并适用于药物分子的后期衍生修饰，为多样化磺酰基BCP生物电子等排体的模块化合成提供了一种实用且高效的方法。（图一）。

图一：当前的研究现状与反应的设计（图片来源Sci. Adv.）

该研究进一步对反应机理开展了系统阐明。首先，向体系中分别加入TEMPO、DPE、BHT等自由基捕获剂后，反应受到显著抑制，同时高分辨质谱可检测到相应的自由基加成产物，直接证实该转化遵循自由基反应途径（图二A）。其次，采用DTBP、BPO、AIBN等热型自由基引发剂替代标准光催化条件，均无法有效驱动反应进行，表明该转化必须依托光激发锰催化体系，单纯热引发自由基链难以实现目标产物生成（图二B）。光开关间歇实验结果表明，体系中不存在长程自由基链式循环，但反应过程中瞬态锰自由基的二聚过程仍可能发生（图二C）。紫外-可见吸收光谱测试证实，Mn₂(CO)₁₀与膦配体L4可原位生成双核金属配合物，其吸收光谱发生明显红移，能够更高效地捕获可见光，从而显著提升锰自由基的生成效率（图二D）。动力学对照实验进一步直观佐证配体具有显著的速率加速作用，移除配体后产物收率大幅降低（图二E）。基于上述实验结果及DFT计算，团队提出了可能的催化反应机理（图二F）：在可见光照射下，原位形成的双核锰配合物发生Mn–Mn键均裂，生成锰中心金属自由基A；该自由基通过卤素原子转移（XAT）过程攫取磺酰氯分子中的氯原子，产生磺酰自由基B和金属配合物C。随后，磺酰自由基B对[1.1.1]螺桨烷的张力碳–碳键进行加成，生成BCP自由基中间体D；D进一步进攻含氮杂环，得到中间体E；E与金属配合物C作用，最终生成目标产物，并再生锰自由基A，完成催化循环。

图二：机理探究（图片来源Sci. Adv.）

该研究构建了一种可见光驱动的锰催化反应体系，依托配体促进的卤素原子转移（XAT）机制，实现了[1.1.1]螺桨烷的高效连续双官能化转化，从而能够模块化构建结构多样的磺酰基双环[1.1.1]戊烷（BCP）衍生物。该策略不仅突破了传统锰光催化体系的应用瓶颈，也为基于张力释放的自由基多组分反应提供了创新的设计范式。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg5293