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（图(tu)片来源：J. Am. Chem. Soc.）

正文

自(zi)由(you)基化学的(de)(de)研究主要集中(zhong)于高活性有(you)机自(zi)由(you)基的(de)(de)反(fan)应(ying)，此(ci)类物种通常(chang)仅作为瞬态中(zhong)间体存在(zai)。然而，当(dang)自(zi)由(you)基具备足够(gou)的(de)(de)空间位阻效应(ying)或电子稳(wen)定性时(shi)，其反(fan)应(ying)活性可显著减(jian)弱，从(cong)而能够(gou)长期稳(wen)定存在(zai)。早在(zai)1900年，Gomberg团队在合成三苯甲(jia)基(ji)(ji)(ji)自由基(ji)(ji)(ji)时(shi)，首次发现了这一现象。此后(hou)，多种具有(you)持久性且稳定（对氧气呈惰性）的自由基(ji)(ji)(ji)陆续(xu)被报道（Figure 1a）。这些(xie)自由(you)基的长(zhang)寿命特性引发(fa)了学术界对其独特性质的显著关注，其作为试剂(ji)或催化(hua)剂(ji)应(ying)用于有机(ji)合成领域则相对罕(han)见(jian)，但通常(chang)用作氧(yang)化(hua)反应(ying)催化(hua)剂(ji)的氨基氧(yang)（aminoxyl）自由(you)基(ji)（如TEMPO）除外。在过(guo)去的十年(nian)里，光氧(yang)化(hua)还原催(cui)化(hua)已成为有机(ji)合成中(zhong)用于产(chan)生瞬态(tai)自由基的主要方法(fa)。在激发(fa)(fa)态(tai)下，光氧(yang)化(hua)还原催(cui)化(hua)剂与多种底物发(fa)(fa)生单(dan)电(dian)子转移(yi)（SET），这些反(fan)应(ying)的成功(gong)很大程度上取决(jue)于催化(hua)剂是否(fou)具有(you)足够高的氧(yang)化(hua)还原(yuan)电位以实现热力学有(you)利(li)的SET。因(yin)此，对(dui)(dui)于氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)还(hai)(hai)原(yuan)电(dian)位(wei)极高(gao)的(de)底物，传统光(guang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)还(hai)(hai)原(yuan)催化(hua)(hua)(hua)均(jun)失(shi)效。最(zui)近，化(hua)(hua)(hua)学(xue)家们开发了(le)一种克服这一局(ju)限(xian)性的(de)策(ce)略，即在光(guang)激发前(qian)对(dui)(dui)有机光(guang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)还(hai)(hai)原(yuan)催化(hua)(hua)(hua)剂进行单(dan)电(dian)子(zi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)或(huo)还(hai)(hai)原(yuan)，称为电(dian)子(zi)引发光(guang)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)还(hai)(hai)原(yuan)催化(hua)(hua)(hua)（Figure 1b）。其(qi)中，初始(shi)的单电子转移过程将闭(bi)壳层(ceng)单线态(tai)催化剂转化为开壳层(ceng)双(shuang)线态(tai)的持久(jiu)性自(zi)由基，该中间体具有增强的(de)激(ji)发态(tai)氧化(hua)还原(yuan)电势，从而可(ke)与通常(chang)惰性的(de)底物(wu)发生SET过程。然而，形成双(shuang)线(xian)态的关键SET反应必须(xu)通过电(dian)化学（电(dian)光催化）或涉及额外PET与化(hua)学(xue)计量(liang)氧化(hua)剂/还(hai)原剂(ji)的双光子过程进(jin)行。相反，到目前为(wei)止，尚未有文献(xian)报道使用持久性有(you)机(ji)自由基作(zuo)为活性光(guang)氧化(hua)还(hai)原(yuan)催化(hua)剂的具(ju)体(ti)案例，特(te)别是无需(xu)通过单线态预(yu)催化(hua)剂的电化(hua)学或光(guang)化(hua)学活化(hua)来持续生成自由基(ji)的体(ti)系（Figure 1c）。这(zhei)类双线态光氧化还原催化剂既可提供基于电(dian)子预活化(hua)(hua)的(de)光氧化(hua)(hua)还原(yuan)催化(hua)(hua)模型所需的(de)高氧化(hua)(hua)还原(yuan)电(dian)势，又(you)能(neng)简化(hua)(hua)实(shi)验(yan)装置(zhi)并提升反(fan)应(ying)效率。近日，英(ying)国布里斯(si)托尔大学Varinder K. Aggarwal与Adam Noble课题组研究发(fa)现(xian)，通过将(jiang)B₂cat₂（1）与联吡啶类(lei)化合物（2）简单(dan)的混(hun)合，可生成持久性硼基-联吡啶自由基(ji)（3）。该自由基在基态下高(gao)度稳(wen)定，但在蓝光(guang)照射(she)下可发挥异常强效的光(guang)还原剂功(gong)能（Figure 1d）。欢迎下载(zai)化(hua)学加APP到(dao)手机桌面，合(he)成化(hua)学产(chan)业资源聚合(he)服(fu)务平(ping)台。

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首先，作者通过使用有机(ji)超电(dian)子(zi)供(gong)体（SEDs）作为光(guang)催化(hua)剂，可(ke)解决(jue)脱卤硼基化(hua)反(fan)应中的挑战，这(zhei)一思(si)路受基于(yu)二氢(qing)联(lian)吡啶的SED（4）在紫外光（UV）照射下是一种强力光还原剂的启发（Figure 2a）。尽管(guan)SED（4）无法(fa)实现催化循(xun)环，但相关SED（5）能催化(hua)热促进N-烷基(ji)吡啶(ding)鎓盐的硼基(ji)化反应，其中SED（5）通过B₂cat₂与4,4′-二叔丁基-2,2′-联吡啶（2a）在高温(wen)下原(yuan)位反应生成。作者推断，若SED（5）能(neng)够像(xiang)SED（4）一样实现光激发，其将为高(gao)挑战性的脱卤(lu)硼基化反(fan)应提供(gong)有价值的光催化剂。当在配体2a（20 mol%）存在(zai)下，4-溴哌啶（6a）可与B₂cat₂在蓝光照射下反应，可以80%收(shou)率得到(dao)硼(peng)酸酯产物7a（Figure 2b）。当体(ti)系中不添(tian)加2a或在无光(guang)(guang)条件均未能(neng)有效的反应，证(zheng)实(shi)了联(lian)(lian)吡(bi)(bi)啶配体(ti)(ti)在生成光(guang)(guang)活性物种中的关(guan)键作用。当使用二甲氨基取(qu)代的联(lian)(lian)吡(bi)(bi)啶配体(ti)(ti)2b时，可(ke)将收率提升至92%，这(zhei)归因于(yu)其供电子胺基可生成还原能力更(geng)强的催化(hua)剂。

其次，作者将无色固体2a和B₂cat₂在THF-d₈中(zhong)混合后，溶液立即变为黄色，25小时后转变为深绿(lv)色（Figure 2c）。令人惊讶的是，对(dui)该反应的¹H NMR分析显示，2a的(de)消耗率超过90%，但未检测到(dao)二氢(qing)联吡(bi)啶5或其他联(lian)吡啶衍生物。由于(yu)溶(rong)液在整个实验中保持均相(xiang)状(zhuang)态，作者(zhe)推测2a可(ke)能转化(hua)为核磁沉默(mo)（NMR-silent）的自由基，该推论通过EPR光谱得到证实(shi)。后续(xu)辐(fu)照实(shi)验导致硼鎓(weng)离(li)子8a的(de)生成，不仅证明了该自由基(ji)的(de)光氧化还原(yuan)活性，还暗示其结构(gou)可能(neng)为硼(peng)基-联吡啶(ding)自由(you)基3a。同时(shi)，通过(guo)用镁还(hai)原硼鎓盐(yan)8a·PF₆的独立合成(cheng)进(jin)一步证实了上述(shu)的发(fa)现（Figure 2d）。上述结(jie)果表明，该反应体系中的光催化(hua)活性物种实(shi)为硼基-联吡啶自由基3。此外，CV实验(yan)结果表(biao)明，硼自(zi)由基3a具(ju)有稳定(ding)性，并能促进8a和(he)二氢联吡啶-硼(peng)酸根阴离子9a之间(jian)的氧化还原循环（Figure 2e）。同时(shi)，自由基(ji)3a在(zai)基(ji)态(tai)是一种中等(deng)强度(du)的还原剂(ji)，该性质支持了相关(guan)硼基(ji)-联吡啶(ding)自由(you)基(ji)参与热促(cu)进硼基化反应的机理。

基于上(shang)述的研(yan)究以(yi)及相关(guan)文(wen)献的查阅(yue)，作(zuo)者提出了一种合理的催化(hua)循(xun)环过程（Figure 2f）。首先，联吡啶2与(yu)B₂cat₂反应，生成(cheng)硼基(ji)自(zi)由(you)基(ji)催化剂3。其次，催化(hua)剂3经光激(ji)发(fa)生成强还原性的双线态(tai)(tai)激(ji)发(fa)态(tai)(tai)3*，其可与(yu)烷(wan)基(ji)溴6发生单电子转移，生成烷(wan)基自由基10和硼鎓盐8·Br。在DBU促进下，烷基自由基10与B₂cat₂进(jin)行(xing)硼(peng)基化反应，生成(cheng)硼酸酯11及DBU稳定(ding)的硼基自由基12。基(ji)于(yu)Lewis碱稳定化硼基自(zi)由(you)基的强还(hai)原能(neng)力，自由基12还(hai)原8的过程在热力学(xue)上有利，最终再生催(cui)化(hua)剂3并(bing)形成(cheng)DBU·BrBcat 13。

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在(zai)获(huo)得上述最佳反应条件后，作者(zhe)对底物范围进行了扩展（Scheme 1）。首先(xian)，环(huan)状和非环(huan)状二级(ji)烷基溴与一级(ji)烷基溴，均可顺(shun)利反应，获得相应的产(chan)物7a-7r，收率为43-91%。值得(de)注意的(de)是，一(yi)系列含有(you)烯基、羟基、烷氧(yang)羰基等活性的(de)基团，均可(ke)体(ti)系兼容。对于(yu)环(huan)丙(bing)基取代的(de)甲基溴，可(ke)以22%的收率得到开环产物7s，从而证(zheng)实了反(fan)应(ying)涉及烷基自由基中(zhong)间(jian)体(ti)的(de)形成。其次，三级烷基溴(xiu)，也是合适的(de)底物，分别获得(de)相应(ying)的(de)产物7t（82%）和7u（74%）。1,1-二溴环丙烷衍生(sheng)物，可进行双重脱溴硼化反(fan)应，可以63%的(de)收率(lv)得到1,1-双(shuang)硼酸(suan)酯产物7v。无环三级(ji)烷基溴化物，也能(neng)够进行反(fan)应，可以44%的收率得(de)到(dao)产物7w。此外，一系列天然产物衍生的烷基溴化物，如(−)-降龙涎香醚、表雄酮、薯(shu)蓣皂素、剑(jian)麻皂素、Hecogenin等，均(jun)能(neng)够顺利进行反应，获得(de)相应的产物7x-7z和(he)7aa-7ae，收率为28-90%，具有优异(yi)的对映选择(ze)性。其中，在二级烷基溴(xiu)与一级烷基溴代(dai)物共存体(ti)系(xi)中，反应(ying)展现出良(liang)好的(de)区域选择性(xing)，优先生成产物7ae；但同时也(ye)分离(li)到(dao)双(shuang)硼基化副产(chan)物(wu)及烯(xi)酮还原产(chan)物。

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最后，作者对反应的实用性进行了(le)研究（Scheme 2）。首(shou)先，催(cui)化剂3b可高效促进2-溴苯基硫代碳酸酯14发生脱(tuo)溴反应生成芳基自由(you)基，继而实现脱氧硼基化反应(ying)（Scheme 2a）。该体系(xi)对(dui)氯代烷烃15同样有效，虽然转化(hua)(hua)率较低(di)，但仍成功获得(de)硼基化(hua)(hua)产物7a（Scheme 2a）。其次，硼基(ji)自(zi)由基(ji)可成(cheng)功催(cui)化氯代(dai)芳烃(ting)16的硼基化反应（Scheme 2b）。相较于(yu)配体2b，四甲(jia)基菲啰啉2c显著提升了反(fan)应产(chan)率(lv)，证实硼基(ji)自由基(ji)的形(xing)成不(bu)局限于联(lian)吡啶类(lei)配(pei)体。同时，由于芳基(ji)(ji)自(zi)由基(ji)(ji)的高(gao)活性，可采用(yong)B₂pin₂替(ti)代硼源，仅需亚化学计(ji)量的B₂cat₂即可生成催化剂3c。尽管脱氯(lv)硼基化反应的转化率中(zhong)等，但其成功实施证明了硼基自由基3能(neng)催化高挑战性的(de)单电子还原过(guo)程。此外，通过对反应(ying)条件的优化，还可(ke)实现N-对甲苯磺酰基吲哚18的脱(tuo)磺酰(xian)化反应，以(yi)81%的收率得(de)到产物19（Scheme 2c）。

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英国(guo)布里斯托(tuo)尔大学Varinder K. Aggarwal与(yu)Adam Noble课题组发现并表征了稳定持久性(xing)的(de)硼基-联吡啶(ding)自由(you)基，证实其可作(zuo)为高效光氧化还原催化剂。该自由基仅需通(tong)过(guo)2,2'-联吡啶与B₂cat₂简单混合即可生成，且表现(xian)出超强的激发态还原能力。实验证明，这类(lei)双线态(tai)光氧(yang)化(hua)还原(yuan)催(cui)化(hua)剂(ji)可(ke)驱动(dong)温和且操作简便的溴代烷烃(ting)的脱溴硼基化(hua)反(fan)应。最后(hou)，通过硼基-联吡啶(ding)自(zi)由基(ji)在脱氧(yang)、脱氯(lv)及N-脱磺酰化反应中的(de)成功应(ying)用(yong)，彰显了此类自由(you)基作为(wei)强还原(yuan)型(xing)光催化剂(ji)的合(he)成潜力。