ACS Catal:苯并吩噻嗪/硼酸杂化光催化剂实现单电子转移:SET引发α,β-不饱和羧酸的环化
作为有机合成的工具,可见光氧化还原催化剂已经被广泛开发设计,包括具有不同氧化还原电位和光化学性质的光催化剂。在光氧化还原催化中,难以控制自由基介导的偶联反应和环化反应的反应性和选择性。基于以上背景,几种键合位点和非键合位点的有机光催化剂被设计来提高光催化过程的反应性和选择性(Scheme 1a)。作为一种通用的环丁烷化合物的合成方法,α,β-不饱和羰基化合物的[2 + 2]环加成备受关注(Scheme 1b)。在这一领域,Krische课题组和Yoon课题组分别研究了各种金属催化方法:Birch还原、电化学活化和光催化。除钴催化的环金属化外,这些反应通常由金属试剂或催化剂与底物之间的单电子转移引发,从而产生烯醇化自由基阴离子。因为烷基烯醇具有高氧化还原电位,所以这些反应的底物范围被限制在芳基烯醇上。迄今为止,α,β-不饱和羧酸衍生物的[2 + 2]环加成反应仍然只能在苛刻的条件下发生。最近,日本京都大学Yoshiji Takemoto教授课题组设计了一种由苯并吩噻嗪和芳基硼酸杂化的光催化剂(Scheme 1c)。这种杂化光催化剂不仅可以使光催化核心与底物紧密结合,还可以亲电活化羧酸,从而使光催化剂对羧酸(CAs)具有较高的还原能力。利用杂化光催化剂,可以对α,β-不饱和羧酸进行[2 + 2]环加成和还原性环化。这篇文章是单电子转移引发的惰性α,β-不饱和羧酸环化的第一个例子。
基于苯并吩噻嗪类化合物在光激发时的强还原能力(约-2.0 V vs. SCE)和苯硼酸的路易斯酸性的反应活性,作者在苯并吩噻嗪的N-芳基环上修饰了硼酸,制备了一系列N-芳基苯并吩噻嗪。正如预期的那样,所有的杂化催化剂(C-G)均能以较高收率得到[2 + 2]环加成产物,反式异构体占优势(Table 1,entry 4-8)。entry 9中的结果也表明羧酸与硼酸的络合是该反应进行的必要条件。
(图片来源:ACS Catal.)
另外,作者还发现杂化催化剂体系表现出与[2 + 2]环加成不同的反应模式(Table 2)。在还原剂汉斯酯(HEH)和分子筛5A(MS5A)的存在的情况下,使用427 nm LED辐射,1a可以在甲苯中进行还原性环化,转换为单环产物。
接下来,在优化的条件下,作者使用最佳光催化剂G探究了分子内[2 + 2]环加成反应的底物适用范围。无论连接官能团是什么,1c-1e都能通过[2 + 2]环加成以中高产率生成相应的加合物(Scheme 2)。五元环比六元环有更高的收率。作者采用两组条件,即条件A(杂化催化剂体系: E和HEH)和条件B(双催化剂体系: A、铱催化剂和HEH),进一步研究了分子内还原环化的底物范围。以不饱和丁腈1f、不饱和酰胺1g、不饱和内酯1h和烷基酯1i为底物,在A和B两种条件下进行反应,在不同底物,不同对映体选择性的情况下,均以中高收率生成相应产物(3f-3i)。
机理研究:在杂化催化剂体系下,[2 + 2]环加成产物发生了异常的异构化反应。改变催化条件,顺式和反式异构体可能以某种程度选择性合成。为了进一步了解细节,顺式2a'在杂化催化剂或双催化剂体系下进行反应。杂化催化剂G体系可以观察到顺式2a'到反式2a'的异构化,而A和B的双催化剂体系则没有发现异构化(Figure 1b)。非对映体顺式2a'和反式2a'在杂化催化剂条件下通过阴离子自由基中间体III和IV可相互转换(Figure 2a)。为了进一步研究异构化的机理,作者在HEH存在的情况下,利用E和G对顺式2a'进行异构化,得到单环产物3a(Figure 1c)。带有吸电子基团的催化剂可以更有效地活化羧酸,加快开环进程。从羧酸1a到[2 + 2]环加合物2a的异构化过程中,所有步骤都可能是可逆的。
基于上述实验,作者合理推测了[2 + 2]环加成的反应机理(Figure 2a)。首先, 在MS5A存在下,1和杂化催化剂的硼酸形成配合物I;随后,光激发杂化催化剂,与硼酸-羧酸配合物发生单电子转移过程生成自由基阴离子II,II与烯烃通过五-外环化得到中间体III。缺电子的自由基和III的富电子的烯醇之间发生分子内环化生成中间产物IV,紧跟着一个单电子转移生产[2 + 2]环加合物V。其中,杂化催化剂循环的每一步都涉及一个可逆的单电子转移步骤。因此,通过光激发V,杂化催化剂实现了从催化剂核心到[2 + 2]加合物的非活性脂肪类羧酸的单电子转移,从而生成羧酸碳中心自由基阳离子IV。随后,β-断裂得到由环丁烷的环应变释放驱动的III,而III的再环化生成异构化的[2+2]加合物IV。相反,在还原剂如HEH的存在下,III上的缺电子自由基经过连续的氢原子转移和质子化步骤,形成还原环化产物3而不是[2+2]环加合物2(Figure 2b)。
综上所述,作者将芳基硼酸与有机光催化剂相结合,设计出一种新型的电子转移杂化催化剂。新型催化剂在底物和光催化剂之间形成二元络合物,能有效促进α,β-不饱和羧酸的两个自由基环化反应、一个[2 + 2]环加成反应和一个还原性环化反应。此外,杂化催化剂通过自由基开环过程有效地促进了[2 + 2]环加合物的异构化。
文章信息:
A Benzophenothiazine/Boronic Acid Hybrid Photocatalyst Enables the Single Electron Transfer (SET) to Carboxy Groups: SET-Initiated Cyclization of α, β-Unsaturated Carboxylic Acids
Taichi Yumura, Takeshi Nanjo, and Yoshiji Takemoto
ACS Catal. DOI: 10.1021/acscatal.3c03662
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