2023-芳烃中Csp3-Csp3键的光氧化还原裂解新策略

化合物的选择性碳-碳键裂解被认为是有机合成领域最具挑战性的任务之一。尽管过渡金属催化和自由基化学发展迅速，然而为了提高裂键的效率及选择性，常规策略仍不可避免需要杂原子或环张力的修饰辅助。针对无修饰的全碳氢骨架中惰性C_sp3-C_sp3键的选择性断裂，现阶段仍具有较大的挑战性。

近日，香港科技大学黄湧教授/深圳湾实验室陈杰安研究员团队报道一例可见光催化芳烃C_sp3-C_sp3选择性断裂的新策略。本策略利用具有高氧化电势的有机染料类光催化剂，实现苯环的氧化，从而介导无任何杂原子基团修饰的碳氢分子骨架中惰性C_sp3-C_sp3键的断裂，相关成果在线发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c02745）。

在该反应中，可通过调控苄位基团位阻的大小，实现C_sp3-C_sp3键断裂的化学选择性：对于苄位大位阻底物，“碳正离子耦合电子转移（carbocation-coupled electron transfer, CCCET）”诱导的C_sp3-C_sp3键断裂主导反应途径；针对苄位小位阻化合物，C_sp3-C_sp3键活化的方式主要通过“三重单电子氧化（single-electron oxidation, Triple-SEO）”实现。

基于新建立的催化策略，研究团队对各类碳氢骨架自由基前体的普适性范围进行考察。研究结果表明，通过对底物立体空间的调控，一级、二级、三级烷基自由基和苄位自由基均可顺利生成。多种类的自由基受体（radicalphile）在该策略下均可较好兼容，研究发现苄烯丙二腈、烯基砜类、烯基肟醚类、杂环、对甲苯磺酰类化合物均可作为优良的官能团化试剂。此外，基于“CCCET”策略所产生的苄位自由基、三级碳正离子可被同时官能团化，在一定程度上扩大了反应的应用前景。

控制实验证明，反应存在两种不同的反应途径。在可见光催化条件下，有机光敏剂首先与烷基苯发生SEO（团队关于这一机制的相关研究可见：Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6896-6900; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2174-2178; iScience 2020, 23, 10139），生成芳环的正离子自由基中间体（B），根据苄位取代基团的立体位阻和离去性能的差别，机理存在以下两种可能性：对于大位阻取代底物，取代基的位阻和良好的离去性会促使中间体B直接发生C_sp3-C_sp3键断裂，生成苄基自由基C和碳正离子，双片段的官能团化反应随后实现（CCCET pathway）；对于小位阻取代底物，中间体B可发生分子内的单电子转移生成中间体F，随后可被过硫酸铵氧化，并接受水的亲核进攻而生成“瞬态”醇H，随后可发生质子耦合电子转移（proton-coupled electron transfer, PCET）诱导的C_sp3-C_sp3键断裂（团队关于这一机制的相关研究可见：Cell Rep. Phy. Sci. 2022, 3, 100763）及官能团化（Triple-SEO pathway）。

以上工作由香港科技大学黄湧教授/深圳湾实验室陈杰安研究员共同指导，北京大学深圳研究生院博士研究生廖柯为该论文的第一作者，为本文做出贡献的作者还有深圳湾实验室/北京大学深圳研究生院的张欣豪教授、香港科技大学博士生陈楚盈、深圳湾实验室博士后刘思琪。以上工作依托于省部共建肿瘤化学基因组学国家重点实验室，得到了国家自然科学基金委员会、广东省自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会、香港研究资助局和中国博士后科学基金委员会的资助。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.3c02745

黄湧课题组主页：http://www.huangresearch.org/

陈杰安课题组主页：https://chen.szptmc.cn/

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撰稿：廖柯