昆明学院梁德强课题组Org. Chem. Front.：光诱导自催化发散合成苯并芴酮/醇-上海善施科技

导语

近年来，光催化作为一种高效且可持续的合成手段，在有机化学领域得到了广泛而深入的应用。然而，传统的光化学反应往往依赖于贵金属光催化剂，例如铱和钌的配合物，这无疑增加了反应的成本，限制了其广泛应用。因此，探索无需外部添加光催化剂的光反应路径，成为了当前研究的热点与前沿。近年来，尽管电子供体-受体光化学领域取得了显著的进展，但其应用仍然受到一定程度的限制，这主要是因为这类电子转移过程需要严格匹配的供体和受体。值得注意的是，一些底物分子在光激发下，能够自主参与光催化循环，实现电子、能量或原子的转移过程。这类光诱导自催化反应展现出巨大的应用潜力，但目前仍处于发展的初级阶段，有待进一步的研究与探索（图1）。

最近，昆明学院梁德强/高树林&攀枝花学院孙绍光团队开发了一种光催化合成苯并[b]芴酮和苯并[b]芴醇的新方法。该方法以烯酮炔为原料，在无金属、无外加光催化剂和氧化剂的温和条件下，通过光诱导自催化实现了常规合成和连续流动合成。该光催化体系涉及能量转移、单电子转移、氢原子转移及光化学环加成等多重反应活性。在蓝光照射下，体系通过超氧自由基和单线态氧介导的氢原子转移，实现了苯并[b]芴酮的氧化合成；而在紫光照射下，利用奎宁环作为氢原子转移催化剂，通过氧化还原中性途径合成了苯并[b]芴醇。该方法具有良好的底物普适性、流动合成兼容性，并在太阳光实验中展现出实际应用前景。相关的研究成果发表在有机化学领域知名期刊 Organic Chemistry Frontiers上 (Org. Chem. Front., 2025)。

图1 研究背景和本工作（来源：Org. Chem. Front.）

实验结果

通过考察光源、溶剂、氧化剂和催化剂等要素，优化了苯并[b]芴酮2a和苯并[b]芴醇3a的合成条件。对于2a的合成，最佳条件为：在455 nm蓝光照射下，以CH₃NO₂为溶剂，空气为氧化剂，无需外加光催化剂，在25 °C反应2小时，此时分离产率为71%（表1）。光催化剂的加入未能提高产率。

表1 苯并芴酮合成的关键反应参数（来源：Org. Chem. Front.）

对于3a的合成，最优条件为：在395 nm紫光照射下，以THF为溶剂， HFIP为质子源，奎宁环为氢原子转移催化剂，在氩气氛围下反应2小时，此时分离产率为78%（表2）。HFIP和奎宁环的加入对反应至关重要，其他质子源或催化剂的使用均显著降低产率。光源波长也会影响产率，395 nm紫光效果最佳。无光条件下反应无法进行。使用空气氛围会降低3a的产率。

表2 苯并芴酮合成的关键反应参数（来源：Org. Chem. Front.）

在确定发散合成的两个最优条件A和B后，进行了底物适用性范围研究。A条件下，多种官能化的苯并[b]芴酮都可从烯酮炔一步合成（表3）。查尔酮β-环上的给电子基团（2b-2e）和吸电子基团（2g-2j）均与反应相容。4-苯基底物也顺利转化为7-苯基苯并[b]芴酮2f。空间位阻较大的2-甲基或2-氯查尔酮底物也转化为对应苯并芴酮2k和2l，产率未显著降低，表明反应对空间位阻不敏感。3,5-二甲基取代的1,6-烯炔的反应生成6,8-二甲基苯并[b]芴酮2m。噻吩杂环也可以被反应兼容（2o）。

表3 苯并芴酮的合成（来源：Org. Chem. Front.）

在B条件下，反应也能兼容查尔酮β-芳环对位上多种取代基，生成对应官能团化苯并[b]芴醇3b–3j（表4）。邻位甲基烯酮炔底物因空间位阻，对应9-甲基苯并[b]芴醇3k产率较低。6,8-二甲基或二氯取代的3l和3m也能从对应双取代烯酮炔底物合成。查尔酮β-位的1-萘基和2-噻吩基也被兼容，对应产物3n和3o产率较高。芳酰基苯环上4-位或5-位也可以被各种给电子基团（3p）和吸电子基团（3q和3r）取代。接着，本论文研究了炔基适用范围，结果表明多种取代的芳香炔烃均能有效参与该多重环化反应（3s–3x）。反应条件足够温和，可以兼容敏感的烯基基团（3y）。

表4 苯并芴醇的合成（来源：Org. Chem. Front.）

为了评估这两个自催化合成的实用性，首先在传统烧瓶中进行了放大反应（图2a），苯并[b]芴酮2a和苯并[b]芴醇3a的产率与0.3 mmol规模实验相当。然后，我们尝试在连续流条件下开展这两个反应（图2b）。通入氧气，在2.5 mL/min的流速下开展5 mmol级反应，苯并[b]芴酮2a的产率为63%，反应时间比常规反应缩短了2倍；氩气氛围下，在0.23 mL/min的流速下开展5 mmol级反应，苯并[b]芴醇3a的产率为78%。此外，这两个反应都可以使用自然阳光作为光源，产率几乎没有受到影响（图2c）。这些结果证明了当前方法在实际应用中的巨大潜力。

图2 反应实用性研究（来源：Org. Chem. Front.）

接下来研究了两个反应的机理，首先开展了活性氧物种的探测实验（图3a）。在A条件下，当向体系中引入超氧自由基捕获剂对苯醌或单线态氧捕获剂DABCO后，模型反应几乎被完全抑制。此外，DPBF捕获单线态氧生成了加合产物4，产率为43%。TEMP也与单线态氧发生反应转化为TEMPO，并被高分辨率质谱证实。基于上述实验结果，推测在A条件下，超氧自由基和单线态氧在苯并[b]芴酮的合成过程中都扮演着至关重要的角色。超氧自由基和单线态氧的存在进一步被电子顺磁共振（EPR）波谱证实。在A条件下加入TEMP捕获单线态氧，观察到明显的TEMPO信号。加入DMPO作为捕获剂，除了DMPO-碳自由基加合物信号，还观察到超氧自由基加合物被进一步氧化后的信号（图3b）。在B条件下采用DMPO作为捕获剂，也检测到DMPO-碳自由基加合物信号（图3c）。

图3 机理实验（来源：Org. Chem. Front.）

自由基捕获实验表明，两种条件下反应均经历自由基历程（图3d）。开关灯实验表明，光源关闭时反应停止（图3e），结合较小的量子产率，判断两个反应均经历短链的催化循环反应机理。开关灯实验和反应动力学曲线（图3f）均揭示两个反应都有明显的诱导期，可能是因为反应需要先积累某关键中间体。A条件下，醇产物3a不会高效转化为酮产物2a，B条件下，酮产物2a也不能高效转化为3a（图3g），表明两个产物的生成经历独立的反应路径，二者均不是另一产物的关键中间体。氘原子标记研究显示，产物3a羟基上的氢原子不是来自HFIP或H₂O，可能来自分子内部（图3h）。

为确定真实光催化剂，本论文进行了紫外-可见光谱测试（图4a）。结果显示，产物苯并[b]芴酮2a在可见光区有明显吸收，底物烯炔酮1a在455 nm以上也有微弱吸收，表明在A条件下，1a和2a都有可能被蓝光直接激发。密度泛函理论计算表明， 1a和2a的三线态能量都较高，可以将激发态能量转移给基态氧产生单线态氧（图4b），但2a的三线态能量略低于1a，因此反应不会经历光吸收能力更强的产物2a先被激发再将能量转移给1a的过程。因此，A条件下，1a和2a都充当反应的直接光敏剂，它们受光激发后，再发生能量转移将三线态氧敏化为单线态氧。另一方面，醇产物3a在395 nm有微弱吸收。虽然计算得到的1a的激发态还原电势很高，足以氧化奎宁环（图4c），但是3a的激发态还原电势与奎宁环氧化电位相当，所以1a更可能是B条件下的光催化剂。荧光淬灭研究也证实，奎宁环能显著减弱1a的荧光（图4d）。

图4 真实催化剂研究（来源：Org. Chem. Front.）

本论文提出了以下反应机理（图5）。在吸收蓝光或紫光后，烯炔酮1a被激发至1a*，然后发生[4 + 2]环加成生成二氢苯并[b]芴酮A。在A条件下，1a*或2a*通过能量转移活化³O₂生成¹O₂，后者与A发生两次氢原子转移，最终生成苯并[b]芴酮2a。在B条件下，中间体A经紫光激发后发生分子内1,3-氢转移，生成5aH苯并[b]芴醇B。同时，另一分子1a吸收光子形成1a*，氧化奎宁环生氮鎓离子自由基E和还原态催化剂1a^•⁻。E与B发生分子间氢转移，生成碳自由基C和质子化奎宁环F。C的共振结构中，芳环α-碳自由基C'占主导，其被1a^•⁻还原生成芳环α-碳负离子D和基态1a，实现光催化剂的再生。DFT计算表明，F的酸性强于HFIP、H₂O和D₂O，因此F优先对中间体D进行质子化，生成苯并[b]芴醇3a并实现奎宁环的再生。

图5 反应机理（来源：Org. Chem. Front.）

总结

昆明学院梁德强/高树林&攀枝花学院孙绍光团队开发了一种光催化合成苯并[b]芴酮和苯并[b]芴醇的新方法。该方法以烯酮炔为原料，在无金属、无外加光催化剂和氧化剂的温和条件下，通过光诱导自催化实现了常规合成和连续流动合成，具有高效率和良好的官能团耐受性。该光催化体系涉及能量转移、单电子转移、氢原子转移及光化学环加成等多重反应活性，这项工作为光诱导自催化的发展提供了新的见解。

文章通讯作者为昆明学院化学化工学院梁德强教授，高树林副教授和攀枝花学院孙绍光博士，第一作者为昆明学院硕士生史吉富。该项工作得到了国家自然科学基金项目，云南省贵金属实验室开放项目等项目支持。

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