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福州大學(xué)，今日Nature!
來源：高分子科學(xué)前沿 2022-12-07
導(dǎo)讀：近日，福州大學(xué)葉克印教授與康奈爾大學(xué)Tristan Lambert教授報(bào)告了通過脫氫和加氧對(duì)兩個(gè)或三個(gè)連續(xù)的C-H鍵進(jìn)行選擇性加氧，使簡單的烷基苯或三氟乙酰胺轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二或三乙酰氧基化物。該方法通過一個(gè)強(qiáng)大的氧化催化劑的重復(fù)操作來實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，但其條件的選擇性足以避免破壞性的過度氧化。反應(yīng)是通過電光催化實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)利用光和電的能量來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的過程。值得注意的是，對(duì)酸的明智選擇允許選擇性地合成二氧或三氧產(chǎn)品。相關(guān)研究成果以題為“Electrophotocatalytic Oxygenation of Multiple Adjacent C–H Bonds”發(fā)表在最新一期《Nature》上。
含氧功能團(tuán)在復(fù)雜的小分子中幾乎無處不在。以選擇性的方式同時(shí)對(duì)相鄰的C-H鍵進(jìn)行氧合，從而建立多個(gè)C-O鍵是非?？扇〉模@主要是生物合成的范疇。通過合成手段進(jìn)行多個(gè)、同時(shí)進(jìn)行的C-H鍵加氧反應(yīng)是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是由于存在過氧化的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，福州大學(xué)葉克印教授與康奈爾大學(xué)Tristan Lambert教授報(bào)告了通過脫氫和加氧對(duì)兩個(gè)或三個(gè)連續(xù)的C-H鍵進(jìn)行選擇性加氧，使簡單的烷基苯或三氟乙酰胺轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二或三乙酰氧基化物。該方法通過一個(gè)強(qiáng)大的氧化催化劑的重復(fù)操作來實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，但其條件的選擇性足以避免破壞性的過度氧化。反應(yīng)是通過電光催化實(shí)現(xiàn)的，這是一個(gè)利用光和電的能量來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的過程。值得注意的是，對(duì)酸的明智選擇允許選擇性地合成二氧或三氧產(chǎn)品。相關(guān)研究成果以題為“Electrophotocatalytic Oxygenation of Multiple Adjacent C–H Bonds”發(fā)表在最新一期《Nature》上。本文第一作者為Tao Shen。合成由碳-氧（C-O）鍵組成的功能團(tuán)分子的一個(gè)特別有吸引力的策略：將相對(duì)惰性的碳?xì)洌–-H）鍵轉(zhuǎn)化為C-O鍵，這一過程被稱為C-H加氧。自然界在合成大量次級(jí)代謝物，如抗瘧藥物青蒿素時(shí)采用了這種策略（圖1A），通過使用酶來實(shí)現(xiàn)本來難以區(qū)分的C-H鍵之間的選擇性。化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很難再現(xiàn)這種類型的策略，因?yàn)榇嬖诓课贿x擇性的挑戰(zhàn)和過氧化的風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致不想要的羰基產(chǎn)物或碳-碳（C）鍵裂解（圖1B）。 因此目前面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)一種化學(xué)策略，其強(qiáng)氧化性足以實(shí)現(xiàn)多個(gè)C-H加氧，但選擇性足以避免底物的過氧化。三氨基環(huán)丙烯離子（TAC+）可以作為一個(gè)強(qiáng)大的氧化性電光催化劑（圖1C），使一系列的C-H鍵功能化和其他轉(zhuǎn)化。在這些反應(yīng)中，TAC陽離子（TAC+）在電化學(xué)電池中以相對(duì)較低的陽極電位（1.26V對(duì)標(biāo)準(zhǔn)甘汞電極，SCE）被氧化，產(chǎn)生深紅色的TAC自由基二聚體（TAC2+*）。雖然這個(gè)物種本身并不足以氧化底物，但當(dāng)它被光激發(fā)時(shí)，就會(huì)成為一個(gè)強(qiáng)大的氧化劑（TAC2+*，3.33V vs. SCE）。因此，對(duì)含有TAC+的電化學(xué)電池進(jìn)行照射，甚至可以通過單電子轉(zhuǎn)移（SET）氧化活性差的底物，生成相應(yīng)的自由基陽離子，這是高度活性的中間物，可以導(dǎo)致一些有利的反應(yīng)結(jié)果。作者假設(shè) TAC電光催化（EPC）可以提供一種獨(dú)特的策略，使用廉價(jià)的乙酸 (AcOH) 作為氧源來實(shí)現(xiàn)這種具有挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)化。 具體而言，在 AcOH 存在的適當(dāng) EPC 條件下，帶有氧化還原活性取代基（例如芳烴或胺衍生物）的底物 (1) 可以轉(zhuǎn)化為單氧化中間體 2。在酸性 EPC 下 條件下，2 可以緩慢、可逆地消除生成烯烴 3。由于其與氧化還原活性取代基的結(jié)合，該烯烴易于進(jìn)行第二輪 EPC 氧化以形成雙氧化加合物 4。此外，作者推斷迭代 這些消除/氧化步驟與另一個(gè)相鄰的 C-H 鍵的結(jié)合可能導(dǎo)致難以捉摸的三氧化產(chǎn)物，例如 6。本文實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了該假設(shè)，用于控制烷基芳烴和三氟乙酰胺的兩個(gè)或三個(gè)連續(xù) C-H 鍵的氧化。在乙酸、醋酐（Ac2O）和強(qiáng)酸（對(duì)于支化底物為三氟乙酸[TFA]，對(duì)于非支化底物為三氟甲磺酸[TfOH]）的存在下，作者使用催化的TAC+ClO4-（8 mol%）進(jìn)行了電光催化的二氧化。 在二氯甲烷（CH2Cl2）中，以四氟硼酸四乙酯（Et4NBF4）為電解質(zhì)，使用催化劑TAC+ClO4-（8 mol%）進(jìn)行二氧反應(yīng)（圖2)。 反應(yīng)是在一個(gè)不分割的電解池（碳布陽極，鉑金板陰極）中進(jìn)行的，恒定電流（5mA），由兩個(gè)緊湊型熒光燈[CFLs]照射。這些條件影響了各種帶有各種功能的支鏈和非支鏈烷基的鄰接C-H二氧反應(yīng)（圖2）。產(chǎn)物14–20 展示了該反應(yīng)的官能團(tuán)相容性的廣度，它很容易容納鹵代烷 (14)、乙酰氧基 (15)、甲甲氧基 (16)、酰亞胺 (17)、醇 (18)、羧酸 (19)、 和氨基（20）取代基。據(jù)作者所知目前還沒有關(guān)于在一個(gè)反應(yīng)瓶內(nèi)發(fā)生連續(xù)的C-H三氧反應(yīng)的報(bào)告。沿著這些思路，作者認(rèn)為本文提出的機(jī)制可以被擴(kuò)展，以提供這種難以捉摸的轉(zhuǎn)化的第一個(gè)例子。因此，由于E1型消除被認(rèn)為是這一化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵步驟，作者推測支化底物比非支化底物更有能力進(jìn)行電離，在最初的二氧化反應(yīng)后可能容易進(jìn)一步氧化。在實(shí)踐中，作者發(fā)現(xiàn)，通過使用較強(qiáng)的TfOH酸和這類底物能夠?qū)崿F(xiàn)第三個(gè)C-H加氧，從而導(dǎo)致三個(gè)連續(xù)的C-H鍵的新的三氧反應(yīng)，一系列的底物都被證明可以進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化（圖3）。作者發(fā)現(xiàn)三氟乙酰胺也可以進(jìn)行多個(gè)鄰接的C-H加氧反應(yīng)（圖4A）。此外，4-烷基哌啶衍生物80-83可以以良好的非對(duì)映選擇性生成，最好是反式、反式異構(gòu)體。為了進(jìn)一步證明這種新型過氧化學(xué)的效用，作者將其應(yīng)用于一系列更復(fù)雜的生物相關(guān)結(jié)構(gòu)的衍生化（圖4B）。該策略實(shí)現(xiàn)了香精和香料劑celestolide的簡單二氧化，提供類似物91，小規(guī)模產(chǎn)率為82%，大規(guī)模產(chǎn)率為69%（2.5g，10mmol）。此外，一些藥物分子例如受體激動(dòng)劑、抗抑郁藥物等，都有很好的產(chǎn)率和收益?？偟膩碚f，在一次操作中實(shí)現(xiàn)多個(gè)連續(xù)的C-H加氧反應(yīng)，有助于簡化復(fù)雜分子的合成，并提高總產(chǎn)率。圖 4. 三氟乙酰胺的鄰位 C-H 二氧化和三氧化以及電光催化多重相鄰 C-H 氧化的合成應(yīng)用葉克印，福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院閩江學(xué)者特聘教授，福建省百人計(jì)劃專家。研究方向包括電化學(xué)合成與催化、不對(duì)稱催化、藥物化學(xué)。是學(xué)術(shù)期刊 Chinese Chemical Letters，Green Synthesis & Catalysis 青年編委。教學(xué)科研工作之余，葉克印也喜歡跑步和籃球足球，他成功地完成了廈門和上海兩次全程馬拉松比賽。此外，他還是阿根廷球星梅西的球迷。Tristan Lambert，康奈爾大學(xué)教授。研究主要集中在催化領(lǐng)域。對(duì)選擇性有機(jī)合成的新型催化策略的開發(fā)特別感興趣。一直活躍的項(xiàng)目包括電光催化、催化羰基烯烴復(fù)分解和芳香離子的研究。在解決這些問題和其他問題時(shí)，該課題組努力開發(fā)高效實(shí)用的解決方案，同時(shí)提出有關(guān)反應(yīng)性和機(jī)制的有趣問題。
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