自1900年首次发现螺环化合物以来,由于它在药物分子、手性配体、激光染料等领域的重要作用,越来越多的螺环化合物被发现和研究.目前已研发出了几种典型的反应来合成螺环化合物,如分子间的环加成或偶联反应及双官能团化合物分子内的偶联反应.但这些方法仍存在选择性难以控制、螺环中官能团耐受性差、条件苛刻等不足.因此,有必要发展合成含各类官能团的螺环的方法.近年来,芳基化合物的分子内去芳构化已经成为合成螺环骨架的有效策略,尤其是通过光催化去芳构化合成螺环.CO2作为C1合成子具有丰富、低成本、可持续及无毒等优势,若将CO2作为羧酸源键联在螺环骨架上,将有可能构建具有潜在生物活性的螺环羧酸衍生物.基于本课题组对光催化CO2转化利用反应的持续研究,本文设计开发了一种合成螺环羧酸化合物的便捷方法,即光催化苄基邻卤芳醚与CO2的连续去芳构化/羧化反应.根据条件筛选实验结果,最终选择1,2,3,5-四(咔唑-9-基)-4,6-二氰基苯(4CzIPN)作为光敏剂,N,N-二异丙基乙基胺(DIPEA)为还原剂,叔丁醇钠作为碱,二甲基亚砜为溶剂,在蓝光照射下反应12 h,成功得到一系列螺环羧酸化合物.反应具有良好的化学选择性,得到六元环中含共轭双键的1,3-二烯螺环羧酸产物.产物产率理想,最高达到90％,并且对各类官能团兼容性良好,含酯基、三氟甲基、氰基等吸电子基团或甲氧基、甲基等给电子基团的底物均能顺利进行反应.尽管反应涉及到溴代芳烃和氯代芳烃中碳-卤键的断裂,但碘代芳烃含有另一卤素(氟、氯、溴)取代时反应也能顺利进行.对于萘、联苯的底物,反应同样可以以高产率得到目标产物.反应条件温和,在常温常压下即可发生,并且无需使用金属催化剂.本文开展了一系列实验进行机理研究.向反应体系中加入自由基捕获剂无法得到目标产物,证实了该反应可能通过自由基过程.同位素标记实验证明了反应中碳负离子的生成,荧光淬灭实验则说明了DIPEA优先与被光照激发的4CzIPN发生单电子转移过程.结合之前报道的研究结果,本文了提出了可能的反应机理.首先光激发的4CzIPN被DIPEA淬灭后生成自由基阴离子4CzIPN·-和自由基阳离子DIPEA·+.4CzIPN·-与底物苄基邻卤芳醚发生单电子转移断裂碳碘键,生成碘负离子和芳基自由基.芳基自由基发生分子内自由基加成得到5-exo环化去芳构化的中间体,再次与4CzIPN·-进行单电子转移后得到芳基碳负离子.芳基碳负离子对CO2进行亲核进攻得到羧酸盐,在碱存在下双键发生异构化,最后经盐酸淬灭得到螺环羧酸产物.本文一步合成了含有螺环中心和共轭二烯结构的羧酸化合物,该化合物在药物和天然产物分子的合成中具有应用价值.

光催化;CO2;去芳化;羧化;螺环化合物

清华大学化学系,生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室,北京100084;南开大学元素有机化学国家重点实验室,天津300071

[1]易雅平;席婵娟-.光催化苄基邻卤芳醚与CO2的连续去芳构化/羧化反应合成螺环羧酸)[J].催化学报,2022(07):1652-1656

4CzIPN,叔丁醇钠,去芳化

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