【人物与科研】兰州大学曾会应课题组：光能促进的无过渡金属和光敏剂的分子内C–O断裂及芳基重排反应

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导语

如今，光能的利用和转化一直倍受关注，并且取得了非凡的成果。随着人类社会对可持续发展理念的深入了解，绿色化学已经是化学研究的一大热门。光能的有效利用和转化无疑是绿色化学领域的一大亮点。近日，兰州大学曾会应课题组实现了二芳基醚类化合物分子内C–O键的断裂及芳基迁移重排反应（Chem. Sci., 2020, 11, 5740-5744）。

曾会应课题组简介

2016年1月，曾会应副教授作为兰州大学化学化工学院引进人才进入功能有机分子重点实验室工作并建立了课题组，课题组现有博士5人，硕士11人，本科生2人。课题组主要研究方向：1) 光能促进无金属无光敏剂的绿色合成；2)可再生资源木质素及其模型化合物的降解研究。自课题组成立以来，其研究工作已经发表在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal., Chem. Sci., Org. Lett., Chem. Commun.等期刊上，其主要代表性论文：

1. Photoinduced transition-metal- and external-photosensitizer-free intramolecular aryl rearrangement via C(Ar)–O bond cleavage, Chem. Sci., 2020, 11, 5740-5744.

2. Palladium-catalyzed aerobic synthesis of ortho-substituted phenols from cyclohexanones and primary alcohols, Chem. Commun., 2020, 56, 1239-1242.

3. “Two‐in‐One” Strategy for Palladium‐Catalyzed C–H Functionalization in Water, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 2859-2863.

4. Dearomatization–Rearomatization Strategy for Reductive Cross-Coupling of Indoles with Ketones in Water, Org. Lett.,2019, 21, 2302–2306.

5. Umpolumg Cross-Coupling of Polyfluoroarenes with Hydrazones via Activation of C-F Bonds, Chem. Commun., 2019, 55, 9323–9326.

6. Photoinduced Transition-Metal-Free Cross-Coupling of Aryl Halides with H-Phoshonates, Org. Lett., 2019, 21, 1301-1305.

7. Hydrogen Bonding Promoted Simple and Clean Photo-Induced Reduction of C–X Bond with Isopropanol, Chem. Commun. 2019, 55, 767–770.

8. Palladium-Catalyzed Formal Cross-Coupling of Diaryl Ethers with Amines: Slicing the 4-O-5 Linkage in Lignin Models, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3752–3757.

9. Formal Cross-Coupling of Diaryl Ethers with Ammonia by Dual C(Ar)-O Bond Cleavage, ACS Catal. 2018, 8, 8873–8878. 10.An Adventure in Sustainable Cross-Coupling of Phenols and Derivatives via Carbon-Oxygen Bond Cleavage, ACS Catal. 2017, 7, 510–519.

10. An Adventure in Sustainable Cross-Coupling of Phenols and Derivatives via Carbon-Oxygen Bond Cleavage, ACS Catal. 2017, 7, 510–519.

曾会应副教授简介

曾会应，男，副教授，硕导，理学博士。2003年毕业于湖南师范大学化学化工学院，2005年至2010年硕博连读于南开大学元素有机化学国家重点实验室，主要从事生物碱类天然产物的全合成研究，先后完成了常山碱、异常山碱、苦马豆素、吗啡的全合成。2013年至2015年获加拿大魁北克政府优秀博士后奖学金，在加拿大麦吉尔大学（McGill University）从事博士后研究，合作导师为加拿大皇家科学院院士Chao-Jun Li教授，主要从事金属催化下的碳-碳/碳-杂键形成反应研究。2016年1月作为引进人才在兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室工作。

目前从事的研究方向：

（1）光能促进无金属和无外加光敏剂的绿色合成。

（2）可再生能源的利用，木质素模型底物的转化及木质素的降解。

前沿科研成果

光能促进的无过渡金属和光敏剂的分子内C–O断裂及芳基重排反应

近年来，全球能源和生态环境面临着巨大危机，这将使得可再生能源比如木质素的利用和转化成为研究的热点。二芳基醚骨架广泛存在于木质素中，因此通过二芳基醚C–O键的断裂是实现木质素降解和转化的有效途径。然而，二芳基醚C–O键具有很高的键能和化学稳定性，这也是该研究的最大挑战。尽管如此，该课题组利用钯/碳催化下，在还原性体系下实现了二芳基醚C–O键断裂及C–N键偶联反应，相关成果发表于Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3752–3757, ACS Catal. 2018, 8, 8873–8878。此外，在金属铑催化下，邻位导向基辅助的二芳基醚C–O键断裂也被报道，反应在过量氧化剂和高温条件下经过邻位醛基取代基导向的金属铑物种S_NAr过程 （图1a）。最近，利用卡宾催化剂对二芳基醚邻位醛基的“极性翻转”策略实现了二芳基醚C–O键断裂，但是底物仅适用于杂环和具有强吸电子基团的芳环，因此底物有一定的局限性（图1b）。

基于“绿色光化学合成”理念，该课题组也已报道了光促进的无金属无光敏剂条件下芳基卤化物参与的C–P键构建及C–X键还原反应，相关工作发表于 Org. Lett. 2019, 21, 1301-1305, Chem. Commun., 2019, 55, 767–770。以此为基础，该课题组在光促进的无金属无光催化剂条件下，巧妙地利用光激发醛基形成的双自由基实现邻位醛基取代的二芳基醚类化合物的C–O键断裂及分子内芳基迁移重排反应（图1c）。

图1

（来源. Chem. Sci.）

首先，作者选择了2-(吡啶-2-氧基)苯甲醛（1a）为模型底物，利用Minisci反应模式对反应溶剂，Bronsted酸的种类及加入量，Lewis酸的种类，还有光源进行筛选，最终确定了以三氟甲磺酸为质子酸，乙酸乙酯为反应溶剂，254 nm紫外光为激发光源的最佳反应条件，并以90%的核磁产率，83%的分离产率得到目标化合物2a。

图2 反应条件筛选（来源. Chem. Sci.）

紧接着，作者利用以上优化的最佳反应，对类Minisci反应及杂环迁移重排反应的底物耐受性进行了考察，如图3所示。从中可以看出，反应不仅可以兼容甲基和甲氧基等供电子基团，而且对三氟甲基等强吸电子基团具有良好的耐受性。值得一提的是，该反应并且能够兼容对紫外光敏感的含溴和氯原子的底物，并以优异的产率得到相应的目标化合物。此外，除了吡啶类底物能实现重排反应，其他如苯并噻唑，吡嗪类底物也能经过分子内C–O键断裂和迁移重排反应得到目标化合物。

图3 杂环迁移重排底物拓展（来源. Chem. Sci.）

随后，作者在不需要任何添加剂的条件下，对芳基迁移重排反应进行了底物拓展。同样，反应也具有很好的底物兼容性。如图4所示，重排不仅兼容含有氰基，酯基和三氟甲基的底物，还可以兼容氟，氯和溴这些卤素原子，并且对含有空间位阻很大的2,6-二甲基的底物也有好的耐受性。

图4 芳基迁移重排底物拓展

（来源. Chem. Sci.）

对于机理的研究，作者设计并进行了一系列控制实验。如图5所示，首先，作者进行了“光源开关”实验，并对反应进程进行了监测，从这两个实验可以推测出该迁移重排反应是光反应，并不是光引发的自由基串联反应。然后机理控制实验进一步验证了反应机理，如图6所示。动力学同位素效应（KIE）实验说明反应的决速步骤没有涉及醛基C-H键的断裂，如图6a所示。自由基捕获实验说明该重排反应没有经历自由基的反应历程，如图示6b所示。分子间和分子内交叉反应可以得出该迁移重排反应是一个严格的分子内的重排反应，伴随着分子内的C–O键断裂，如图6c所示。

图5（来源. Chem. Sci.） 图6 机理控制实验（来源. Chem. Sci.）

在以上实验的基础上，作者提出了可能的反应机理，如图7所示。反应在光激发和质子酸作用下发生Minisci反应形式的反应得到D，D中间体均裂得到中间体E，中间体E通过path a和path b两种途径得到化合物H, 最后经过碱化得到目标化合物。

图7 可能的反应机理（来源. Chem. Sci.）

综上，作者利用无金属无光催化剂的光反应手段，巧妙地实现了二芳基醚类化合物分子内C–O键的断裂及芳基迁移重排反应。该反应具有优异的底物耐受性，反应条件温和，避免使用金属和外加氧化剂，因此是一种绿色合成策略。

该工作近日发表于Chem. Sci.（Chem. Sci., 2020,  11, 5740-5744），论文的通讯作者为兰州大学化学化工学院，功能有机国家重点实验室曾会应副教授，博士研究生窦谦为本文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、国际绿色催化与合成联合研究中心和111引智项目的支持。

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