苏州大学汪顺义、加拿大卡尔加里大学Tristram Chivers等综述 | 硫三负自由基 (S₃˙⁻) 在有机合成的应用

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研究背景

简单易得的自由基作为一种能够控制反应选择性的中间体被广泛应用于有机化学反应，并且化学家们对新型自由基反应一直充满着极大的热情。使用一些以硫为中心的自由基，如硫自由基（RS^•）、磺酰基自由基（RSO₂^•），构建各种C–S键的反应被广泛研究，并取得了一系列喜人的成果。但是其他以硫为中心的自由基，特别是硫三负自由基（S₃^•−），直到最近才受到很少关注。

早在150年前，人们就发现由单质硫（S₈）和碱金属多硫化物会产生一种蓝色物质。直到20世纪70年代初期，这种物质才被确定为硫三负自由基（S₃^•−），而这种独特的硫试剂在有机化学中的应用在2014年才被正式开发。

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综述内容

近日，苏州大学汪顺义教授团队系统地介绍了硫三负自由基（S₃^•−）在化学反应和机理中起到的关键作用，并且对这种自由基在有机合成领域的应用提出了新的见解。

首先，作者介绍了由单质硫（S₈）在碱的作用下原位产生硫三负自由基的反应。2014年，雷爱文课题组首次通过EPR光谱，成功证明硫三负自由基S₃^•−可以在由单质硫S₈与碱在溶剂中形成（图1）。在这基础上，作者又依次介绍了由S₈产生S₃^•−参与的[4+1]环化、[2+2+1]环化、噻吩的构建、环状二芳基硫醚的构建、C–H键硫醇化、多组分反应、苯并噻唑和苯并咪唑衍生物的合成以及烯酮的 C(sp²)–H胺化反应。

图1 S₈原位产生S₃^•−参与构建噻吩

随后，作者描述了通过S²⁻原位生成S₃^•−的反应。值得注意的是，这种S₃^•−的产生方式由作者首次发现（Chem. Sci., 2016, 7, 4067-4072），并提出可能的机理（图2）。在这之后，一系列由S²⁻原位生成S₃^•−的反应被大量报道，作者在综述中根据反应类型进行了系统的整合，包括苯并噻嗪的合成、2-芳基-4H-硫代苯并吡喃-4-酮衍生物的合成、[4+1]环化、[2+2+1]环化、胺的硫代羰基化反应、噻吩环化和苯并噻唑衍生物的合成等一系列反应。

图2 从K₂S合成苯并噻嗪

硫三负自由基S₃^•− 通常用于构建各种 C–S 键，直到2020年才被发现这种试剂可以作为催化剂诱导反应，主要分为C–C键构建的交叉偶联反应（图3）和C=C 键断裂反应（图4）。作者在综述中对两种反应的部分底物和机理都进行了详细的描述。

图3 S₃^•−催化C–C键构建机理

图4 S₃^•−催化C=C 键断裂机理

最后，基于在硫三负自由基领域的研究，作者在一些不涉及S₃^•−的反应中，例如Willgerodt–Kindler反应、在DMF中涉及K₂S或Na₂S·9H₂O的反应和涉及S₈和碱基的反应，提出了自己的见解，指出这些反应中的关键活性物种应该被认为是硫三负自由基S₃^•−。

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总结展望

S₃^•−作为有机化学中具有多功能性的独特试剂，汪顺义教授团队从它的历史背景开始描述，根据硫三负自由基的产生方式以及在反应中扮演的角色进行分类，系统地讲解了各类涉及S₃^•−的不同有机化学反应以及相关机理，并根据团队在该领域的理解，合理提出了一些不同的看法。最后作者指出S₃^•−领域研究中存在的不足，认为机理研究仍需要更加深入的探索，并希望这篇综述能够为有机化学家们提供途径，为未来的工作奠定基础。

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论文信息

Applications of trisulfide radical anion S₃^•− in organic synthesis

Ping Song, Weidong Rao, Tristram Chivers and Shun-Yi Wang

Org. Chem. Front., 2023, 10, 3378-3400

https://doi.org/10.1039/D3QO00496A

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

Tristram Chivers 教授

加拿大卡尔加里大学

Tristram Chivers 教授，英国巴斯人，在英国杜伦大学获得了理学学士、博士学位（导师R. D. Chambers 教授）。1969年加入加拿大卡尔加里大学，1977年至1982年任化学系主任。他目前是卡尔加里大学化学荣誉退休教授。他的研究兴趣是主族元素化学领域，重点是硫族化合物和无机环合物。他著有三本有影响力的学术著作：《硫族、氮族化学指南》、《p区元素的无机环合物和聚合物：从基础到应用》（与Ian Manners教授合著）和《硫族、氮族化学：从基础到生物、物理和材料科学应用》（与Risto S.Laitinen合著），在国内外化学核心期刊如Nature, Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等发表论文数百篇。

汪顺义 教授

苏州大学

汪顺义，苏州大学教授，博士生导师。2002年毕业于苏州大学化学并获得学士学位，2002-2007年在苏州大学攻读并获得理学博士学位（导师纪顺俊教授）。2007-2011年在南洋理工大学跟随Teck-Peng Loh教授开展博士后研究，之后在德国慕尼黑大学开展一年的博士后研究（导师Paul Knochel教授）。2012年任苏州大学材料与化学化工学部副教授，2015年晋升为正教授。研究方向集中在自由基反应，主要包括S₃^•−和C-S/C-Se键参与的反应研究。主持国家自然科学基金4项，参加2项国家自然科学基金项目。在国内外化学核心期刊如Chem. Rev., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., ACS Catal., Chem. Sci., Green Chem., Org. Lett., Chem. Commun.等发表论文一百余篇，授权发明专利5项。曾获得教育部科学技术进步奖二等奖1项（排名3），中国石油和化学工业协会科学技术进步奖二等奖1项（排名3）。

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