【有机】可见光诱导铁催化的sp3碳氢键硼化、硫醚化和亚砜化反应研究- 大数跨境

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2023-04-10

导读：哈尔滨工业大学（深圳）的夏吾炯、郭林课题组通过光诱导的LMCT过程，利用廉价金属铁作为催化剂，实现了无导向的sp3碳氢键硼化、硫醚化和亚砜化反应

脂肪族碳氢键的直接活化和官能团化反应一直被认为是有机化学的圣杯，该过程可将普通烷烃原料直接合成高附加值的功能化产物而备受青睐。相比于芳香族sp²碳氢键的官能团化，普通烷烃的sp³碳氢键由于其反应活性低，选择性难以控制，因此直接活化和官能团化极为困难，目前常用策略是利用导向基团或贵金属（例如铱、铑等）催化的方式来实现此类转化。近年来，光诱导自由基介导的氢原子转移（hydrogen atom transfer, HAT）逐渐成为了一种极具吸引力的策略，可以直接激活烷烃的碳氢键，无需预官能化或安装导向基团。在该领域的研究中，一个备受关注的问题是氢原子转移时的区域选择性，这很大程度上取决于碳氢键的键解离能、键强度以及空间效应等因素，目前已开发的合成策略绝大多数使碳氢官能团化过程发生在键能较低的3级碳氢键上（图1a）。

近期，光诱导配体到金属电荷转移（ligand-to-metal charge transfer, LMCT）代替传统的氧化还原过程被证明是构建有机分子的有效合成工具。利用廉价的3d过渡金属（铁、铜、镍、钴等）作为催化剂，高价金属-配体络合物受可见光照射直接激发，产生活性的自由基物种，该自由基中间体可以作为HAT试剂与脂肪族化合物的sp³碳氢键进行分子间的氢原子转移过程并引发一系列的sp³碳氢键官能团化反应（图1b）。其中，光诱导的氯自由基物种已被确定为LMCT方法中的关键中间体，其作为HAT试剂参与了C(sp³)–H芳基化、烷基化、胺化和炔基化等反应，大多数方案中位点选择性对碳氢键的敏感性较低，反应亦优先发生在键能较弱的 3级碳氢键上。值得思考地是，能否利用该光诱导LMCT策略实现有价值的碳硼键和碳硫键的构建？除了HAT物种之外，是否还有其他关键因素影响sp³碳氢官能团化的区域选择性？

图1. sp³碳氢键官能化反应

围绕这一关键问题，哈尔滨工业大学（深圳）的夏吾炯、郭林课题组通过光诱导的LMCT过程，利用廉价金属铁作为催化剂，实现了无导向的sp³碳氢键硼化、硫醚化和亚砜化反应（图1c）。值得注意的是，这三个反应均表现出了较好的区域选择性，相对于键能更低的3级碳氢键，反应优先发生在位阻更小的1级碳氢键上。该方法表现出了非常广泛的底物范围（>150 个例子），不仅包含简单烷烃分子，而且还能扩展到其他含有脂肪族碳氢键的分子，包括酮类、酯类、醚类、腈类、酰胺、磺酰胺、卤化物和硅烷等，并可适用于一些药物分子和天然产物的后期修饰（图2和图3）。

图2. 光诱导铁催化的sp³碳氢硼化反应

图3. 光诱导铁催化的sp³碳氢硫醚化和亚砜化反应

机理研究实验中，作者首先进行了动力学同位素效应（KIE）实验，以探索氢原子转移（HAT）是否是整个反应过程的速率决定步骤，KIE值表明，氢/氘原子攫取并不是铁催化循环的决速步。此外，可见光诱导的金属氯化物的LMCT激发促进了氯自由基物种的释放，氯自由基可以与烯烃反应生成1,2-二氯产物。作者在苯乙烯157的存在下，酮1与B₂(cat)₂的碳氢硼化反应以20%的产率提供了所需的硼化产物3，同时观察到二氯化产物158，这表明在反应过程中形成了氯自由基物种。同时，作者分别使用有/无水条件进行反应，揭示了水在形成关键中间体（砜基硫醚159和砜基亚砜160）中的重要作用（图4）。控制实验还表明，该类型反应的区域选择性在很大程度上取决于捕获烷基碳自由基的受体选择。

图4. 反应机理研究

根据机理研究结果，作者提出可能的机理为：光激发铁配合物 (A) 将产生它的激发态 (B)，并发生分子内LMCT，生成铁(II)络合物 (C) 和高活性的氯自由基物种，氯自由基与C–H化合物迅速发生氢原子转移（HAT），释放关键的碳中心自由基中间体 (D)。一方面，碳中心自由基 (D) 与配体稳定的B₂(cat)₂反应，生成烷基硼酸酯 (E) 和硼自由基 (F)。氧化剂 (NFSI) 和铁(II)物种之间发生单电子转移，生成铁(III)物种 (A)，同时生成还原态的NFSI物种，从而可以猝灭硼自由基 (F)。另一方面，乙酰氯原位活化亚磺酸盐生成砜基硫醚（在H₂O存在下）或砜基亚砜（在无水条件下），它将捕获碳中心自由基 (D) 并释放巯基化或亚磺化产物 (98或137)，同时生成磺酰基自由基，磺酰基自由基能够将铁(II)氧化为铁(III)，实现铁的催化循环（图5）。

图5. 假设的反应机理

该项结果发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章第一作者为哈工大（深圳）的博士研究生涂佳林，通讯作者为哈工大（深圳）的夏吾炯教授、郭林副教授。该研究工作也得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市基础研究等基金的大力支持。

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