宁波大学魏文廷课题组Org. Lett.: 镍/光氧化还原协同催化丙二烯的芳磺酰化
导语
丙二烯独特的累积二烯结构赋予了其三个潜在的反应位点,多样的反应模式使其在双官能化构建复杂分子骨架方面展现出较好的潜力。其中,1,2-双官能化构建线性型分子的这类反应因对反应位点的选择和中间体的稳定性有着严苛的要求,使得合成化学家一直以来致力于寻找高效可靠的方式来实现。如今,镍/光氧化还原双催化体系因其高效、温和以及绿色的特性而成为构建C−C/C−Y(Y ≠ C)键的有力工具,在烯烃双官能化领域展现出优越性能。因此,开发一种通过镍/光氧化还原双催化体系实现丙二烯的分子内双官能化的新催化模式是极具吸引力的。近日,宁波大学魏文廷课题组通过镍/光氧化还原协同催化体系实现了邻卤代芳基丙二烯与亚磺酸钠的1,2-芳磺酰化反应。相关研究成果发表在Organic Letters上。
前沿科研成果
镍/光氧化还原协同催化丙二烯的芳磺酰化
丙二烯分子内双官能化可分为1,2-双官能化和2,3-双官能化(图1a)。目前通常使用邻卤代芳基丙二烯作为底物,现有的方法包括:(1)过渡金属钯催化的交叉偶联策略;(2)当量超电子供体(SED)介导的自由基-自由基偶联策略;(3)当量单电子还原或氢供体试剂催化的自由基串联环化策略(图1b)。尽管取得了一定进展,但仍存在以下弊端:(1)催化剂成本高昂,需要高温,超化学计量碱等问题仍然存在;(2)合成路线通常更偏向于使用活性较高的碘代芳基丙二烯,而对相对廉价、键能较高的芳基溴代化合物的应用实例则较为罕见;(3)最重要的是,这些反应大多只能实现双碳官能化,对于同时构建C−C和C−Y(Y ≠ C)键的报道较少。因此,发展一种新的催化模式来克服上述局限性从而实现丙二烯的分子内1,2-双官能化,同时构建C−C和C−Y(Y ≠ C)键具有重要的意义。
随着光化学领域的迅猛发展,有机光催化策略为温和条件下通过单电子转移(SET)产生自由基提供了强大的平台。与此同时,光氧化还原试剂也被用作协同催化剂参与过渡金属催化循环,克服了传统过渡金属催化需添加额外还原剂的需求,从而创造出一类新兴的反应策略。如今,镍/光氧化还原双催化体系因其高效、温和以及绿色的特性而成为构建C−C/C−Y(Y ≠ C)键的有力工具,在烯烃双官能化领域展现出卓越性能而被视为最具潜力的催化体系之一(图1c)。然而,在镍/光氧化还原双催化体系已有的底物列表中关于丙二烯的报道只有个例,且仅限于与醛的分子间偶联。导致在丙二烯分子内双官能化中,累积二烯的反应活性以及该体系能否适用尚不清楚。使得通过镍/光氧化还原实现丙二烯的分子内双官能化的挑战加剧,但这并不能掩盖其潜在的吸引力。鉴于前人镍/光氧化还原催化烯烃分子内双官能化的策略,作者推测实现该反应需要解决以下两个挑战:(1)镍催化剂如何顺利迁移插入丙二烯形成稳定的σ-烷基镍中间体?(2)如何避免自由基与丙二烯的加成这类潜在的竞争反应?
图1. 丙二烯双官能化(来源:Org. Lett.)
宁波大学魏文廷课题组前期在不饱和烃官能化(ACS Cent. Sci., 2022, 8, 1028; Org. Lett., 2024, 26, 3014; Green Chem., 2023, 25, 8820)和自由基串联反应(Org. Lett., 2023, 25, 5862; Org. Lett., 2022, 24, 4704; Trends Chem., 2023, 5, 906)这两方面做了系列工作。在此基础上,作者研究了镍/光氧化还原协同催化丙二烯的1,2-芳磺酰化反应,通过邻卤代芳基丙二烯中的芳基C−X(X = I, Br, Cl)键在Ni氧化加成下迁移插入到丙二烯,分子内选择性环化构建3-甲基苯并呋喃-Ni(II)络合物。随后,该络合物将精准地截获光氧化还原过程中产生的磺酰自由基,进一步形成3-甲基苯并呋喃-Ni(III)-磺酰基络合物。最后,通过还原消除得到一系列3-磺酰甲基苯并呋喃分子(图2)。
图2. 镍/光氧化还原协同催化丙二烯的1,2-芳磺酰化(来源:Org. Lett.)
作者首先对反应条件进行了优化,分别探究了光催化剂的种类及用量、镍催化剂和配体的种类及用量、溶剂、光照强度等反应参数对反应产率的影响,发现反应收率最高可达86%(图3)。
图3. 条件优化(来源: Org. Lett.)
为了考察该反应的适用性,作者随后对1,2-芳磺酰化反应的适用性和限制性进行探究。首先对亚磺酸钠进行考察,结果表明反应可与多种亚磺酸钠相容(图4)。其中杂环衍生物(吡啶-3-亚磺酸钠和噻吩-2-亚磺酸钠)、烷基亚磺酸钠(甲基亚磺酸钠和乙基亚磺酸钠)也都是这种镍/光氧化还原双重催化下有效的偶联伙伴。接着,作者考察了一系列邻卤代芳基丙二烯,实验结果表明除由2-溴硫酚和2-溴苯胺衍生的丙二烯未能获得预期产物,其他衍生物均能顺利参与反应(图5)。
图4. 亚磺酸钠适用范围研究(来源: Org. Lett.)
图5. 邻卤代芳基丙二烯适用范围研究(来源: Org. Lett.)
为进一步说明该方法的潜在可扩展性,作者尝试将蓝色光源转换为太阳光进行反应(图6)。有趣的是,该反应可通过太阳光启动,在每天6小时连续两天的曝光后,3a收率达到75%。
图6. 太阳光照射实验(来源: Org. Lett.)
为了阐明这种双催化循环的机理,作者进行了一系列的研究实验(图7)。通过循环伏安实验(CV)估计反应组分催化剂的氧化还原能力。在+0.55V处观察到对甲苯亚磺酸钠2a的不可逆氧化电位(vs Ag/AgCl in DMSO)(图7a),表明它可以被Ru(bpy)3Cl2 (E1/2Ru(*II)/Ru(I) = + 0.77 V vs SCE)氧化。图7b CV分析配合物NiBr2-L1 (EP/2red[Ni(II)/Ni(0)] = - 1.20 V, vs Ag/AgCl in DMSO)和Ru(bpy)3Cl2 (E1/2Ru(II)/Ru(I) = - 1.33 V vs Ag/AgCl in DMSO),表明Ru(I)可以将Ni(II)还原为Ni(0)。Stern-Volmer荧光猝灭实验使用邻溴芳基丙二烯1a、对甲苯亚磺酸钠2a、Ni配合物(NiBr2-L1)进行。结果表明,Ru(bpy)3Cl2的激发态可被阴离子2a和镍配合物猝灭(图7c)。相反,芳基丙二烯1a未观察到激发态猝灭(图7d)。上述结果证明了对甲苯亚磺酸钠2a是在激发光催化剂的作用下通过单电子转移(SET)氧化而生成磺酰基自由基的。
图7. 循环伏安和荧光猝灭实验(来源: Org. Lett.)
为进一步了解镍/光氧化还原双重催化丙二烯芳磺酰化的机理,作者开展了一些控制实验,如图8所示。当加入3.0当量自由基清除剂2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)或2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT),反应被部分甚至完全抑制,表明了自由基可能参与该转变过程。随后,作者以(1-环丙基乙烯基)苯为探针进行了自由基钟实验,3-磺酰甲基苯并呋喃产物3a的产率仅为31%,并且通过核磁共振分析(NMR)检测到4a,验证了磺酰基自由基参与转变过程的猜测(图8a)。在对于必要条件筛选时作者发现,在标准条件下不添加镍催化剂和联吡啶配体时,只能获得磺酰基与丙二烯中间碳加成的产物5a,可见镍/联吡啶体系是芳基C−Br键迁移插入丙二烯的关键条件(图8b)。为了排除自由基加成路径以及明确环化顺序,作者设计了两个对照实验(图8c)。苯基丙二烯1b与2a反应可得到了加成产物7a,但没有得到6a,表明自由基加成丙二烯外端的路径是不可取的。此外,在1,1-二苯基乙烯存在的情况下,1a与2a的反应得到所需产物3a和质子化副产物7a。这些结果为Ni0活化Ar−Br、分子内迁移插入和磺酰基自由基偶联的反应途径提供了证据。与此同时,开关灯实验发现在光照关闭时反应停止,验证该反应经过光化学引发途径(图8d)。反应组分的紫外-可见吸收光谱显示,只有光催化剂在λ = 455-460 nm的波长附近观察到有明显的吸收。1a和2a的添加都不能引起红移或吸光强度的变化,从而排除了在该转化中电子供体-受体(EDA)配合物的产生(图8e)。
图8. 控制实验(来源: Org. Lett.)
为了验证反应选择性和可能的转化途径,作者进行了深入的DFT分析。如图9所示,Ni0L可能与底物1a的芳基C−Br键(path a)或丙二烯(path b)形成络合物,计算结果表明路径path a优于路径 path b,因为在路径 path b中第一步要克服从能量最低点A’(-56.9 kcal/mol) 到TS4 (14.6 kcal/mol) 的能量,此步反应活化能高达71.5 kcal/mol,使得反应难以通过path b进行。在这种情况下,形成的络合物B的转化过程被示为选择性反应步骤,该选择性的计算结果与实验结果恰好吻合。
图9. DFT 计算的Ni0L选择性氧化加成的能量分布(来源:Org. Lett.)
基于上述机理研究和先前文献中的例子,作者提出了这种新的镍/光氧化还原双重催化的丙二烯芳磺化方案的机制。该反应包括两个相互链接的催化循环,一个光氧化还原循环和一个镍催化交叉偶联循环。最初,活性的Ru(II)物质吸收可见光并产生受激发的光催化剂Ru(II)配合物,将对甲苯亚磺酸钠2a氧化生成磺酰自由基A。在光氧化还原循环的同时,Ni0L在较强的放热过程下(ΔG⧧ = −73.3 kcal/mol)与1a的芳基溴氧化加成产生芳基-Ni(II)中间体B。该中间体通过过渡态TS2实现丙二烯分子内迁移插入,选择性环化形成烷基Ni(II)中间体C,活化势垒为14.0 kcal/mol。接着,在中度放热过程下(ΔG⧧ = −17.5 kcal/mol)磺酰基自由基A氧化加成到Ni(II)物种C上形成3-甲基苯并呋喃-Ni(III)-磺酰基中间体D。随后,通过过渡态TS3的还原脱除以得到芳磺酰化产物3a和Ni(I)物种,需要15.6 kcal/mol的势垒。最后,Ru(I)通过SET还原Ni(I),再生Ru(II)光催化剂和Ni0L,以关闭两个催化循环。值得注意的是,该反应的总外显子能量高达152.0 kcal/mol,因此这些计算结果与实验观察结果非常吻合。
图10. 可能反应机理(来源: Org. Lett.)
总之,作者报道了首例镍/光氧化还原双重催化的丙二烯双官能化反应同时构建C−C和C−S键。可见光诱导的协同催化平台在温和的条件下,以高效的化学和区域选择性以及良好的官能团耐受性构建了系列3-磺酰甲基苯并呋喃衍生物等。对照试验支持通过联吡啶配体形成的σ-烷基镍中间体使磺酰基自由基的进一步氧化加成成为可能,最终脱除得到所需产物。此外,通过控制实验、循环伏安测试、荧光猝灭实验、紫外可见吸收光谱、开关灯实验和DFT计算阐明了该镍/光氧化还原双催化的丙二烯芳磺酰化的反应转化机制。
该工作以“Dual Nickel/Photoredox-Catalyzed Arylsulfonylation of Allenes”为题近期发表在Organic Letters 上,研究工作实验部分主要由宁波大学2021级本科生周瑜完成(Yu Zhou, Wen-Hui Yang, Nan-Nan Dai, Jia-Yao Feng, Ming-Qi Yang, Wenqing Gao,* Qiang Li, Chao Deng, Zhan Lu, and Wen-Ting Wei*)。
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