【人物与科研】华南理工大学曾伟教授课题组：可见光催化芳/烯基硅烷和芳磺酰叠氮的环芳构化反应

导语

相对于全碳化合物而言，碳/硅元素互换往往会赋予相应的硅杂芳烃特殊的光物理化学性能，故探索硅杂环化合物合成方法学的研究近年来备受关注。利用Smiles重排的芳基迁移属于合成多芳香稠环共轭体系中较为有效的合成手段之一，然而其中涉及到自由基Smiles重排的报道是相对较少的。迄今为止，只有α-羰基自由基、β-氨基碳中心自由基、氮中心自由基以及半缩醛自由基这四类自由基引发的Smiles重排反应先后被研究和报道，对于涉及到α-硅自由基的Smiles重排的研究尚属空白。近日，华南理工大学曾伟教授课题组研究了可见光催化邻炔基芳基乙烯基硅和芳基磺酰基叠氮环芳构化反应性能，为具有高度π-共扼体系的萘并苯并噻咯类硅杂环化合物的高效合成提供了崭新的绿色低碳技术。相关成果在线发表于 Nat. Commun.（2021, 12, DOI: 10.1038/s41467-021-23326-2）。

曾伟教授课题组简介

曾伟教授课题组一直从事高选择性有机合成方法学的研究，为顺应绿色化学发展的时代要求，着眼于开发简洁、高效、经济、低污染甚至零污染的新合成方法。近年来课题组在过渡金属催化C-H键与金属烯（金属卡宾和金属氮宾）高区域选择性交叉偶联反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11897、Chem. Sci. 2018, 9, 985、ACS Catal. 2018, 8, 1308、Org. Lett. 2018, 20, 6140）的基础之上，先后实现了过渡金属催化碳-碳单键的官能化诸如胺化反应（ACS Catal. 2020, 10, 8402）、烷氧化反应（Org. Chem. Front. 2021, 8, DOI: 10.1039/D1Q000194A）、烯醇化反应（Org. Lett. 2021, 23, DOI: 10.1021/acs.orglett.1c01132）和羰乙基化反应（Adv. Synth. Catal. 2021, 363, 1672）。

曾伟教授简介

曾伟，华南理工大学化学与化工学院教授。1994年毕业于四川大学，获得学士学位，1997年-2003年在四川大学化学学院先后获得有机化学专业硕士和博士学位，师从秦圣英教授；2004年至2005年在香港大学Prof. V. W. W. Yam小组从事研究助理工作（Research Assistant）；2005年至2006年在美国North Carolina State University，Prof. Christian Melander 小组从事博士后研究；2006年至2008年在美国The State University of New York at Buffalo，Prof. Sherry Chemler 小组从事博士后研究工作。2008年被聘为华南理工大学“百人计划”杰出青年教师，在华南理工大学化学与化工学院任教授，2010年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。曾伟教授自独立开展研究工作以来以通讯作者身份在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、ACS Catal.等化学类国际主流期刊上发表高水平学术论文60余篇。先后承担或参与了广州市科技计划项目、中科院“西部之光”联合学者、国家自然科学基金和国家重点研发计划等省部和国家级项目多项。

前沿科研成果

可见光催化芳基烯基硅烷和芳磺酰叠氮的环芳构化反应

含硅的碳氢化合物广泛存在于药物分子和具有特殊性质的功能材料中，与其他同主族的全碳母体化合物相比，通常硅元素将赋予相应的硅杂化合物特殊的生物活性和独特的物理化学性能。为此，发展结构多样性的硅杂环化合物的合成方法学的研究近年来逐步引起化学家的广泛兴趣。本文拟利用磺酰叠氮在可见光催化下生成相应的氮宾自由基中间体并与烯烃通过自由基加成形成α-硅基自由基，进而引发后续的Smiles重排反应来构建硅杂环分子（图1）。

图1. 可见光催化烯基硅烷和磺酰基叠氮的环芳构化反应

（来源：Nature Communication）

作者首先以邻炔芳基乙烯基硅烷与芳基磺酰基叠氮作为模板底物对反应条件进行了优化，反应在最优条件下以69%的分离收率得到目标产物萘并苯并噻咯。为了考察该环芳构化反应的底物适用范围，作者考察了一系列含不同取代基的邻炔芳基硅烷的底物（图2），首先探究了炔烃末端芳基取代基R¹的底物范围，无论芳环对位带有富电子取代基如甲基、乙基、正丁基、甲氧基，卤原子如氟原子、氯原子、溴原子还是强吸电子基如三氟甲基，甚至芳环带有苯基的邻炔芳基乙烯基硅，在该光催化反应体系中具有较好的官能团兼容性。此外，邻庚炔芳基乙烯硅和端炔取代的芳基乙烯基硅在该反应体系下都表现出良好的反应性能。随后，作者考察了α-硅基芳环上取代基R³位置和电性对该反应的影响。实验结果表明芳环上取代基的位置和电性对反应的影响不大，无论是邻、对位甚至间位取代，还是带有富电子或吸电子基的乙烯基硅都可以与磺酰基叠氮发生碳环化芳构化反应。

图2. 邻炔芳基乙烯基硅烷的底物范围

（来源：Nature Communication）

在考察光催化邻炔芳基烯基硅和芳基磺酰基叠氮的环芳构化反应的底物普适性时，作者发现将邻炔芳基乙烯基硅烷换成邻炔芳基烯丙基硅烷与芳基磺酰基叠氮反应意外的发生[2+2+3]偶联环化反应，得到具有结构复杂的含硅和SO₂的多环杂环骨架。无论是富电子的磺酰基叠氮还是缺电子的磺酰基叠氮都具有良好的反应性能（图3）。

图3. 邻炔芳基烯丙基硅烷的底物范围

（来源：Nature Communication）

此外，作者继续研究了芳基磺酰基叠氮芳环上取代基的位置和电性对反应的影响。与电中性的苯基磺酰基叠氮相比，苯环对位带有供电子基或强吸电子基的芳基磺酰基叠氮在该环芳构化反应中具有良好的反应性能。而苯环间位带有甲基和氯原子，或2-萘磺酰基叠氮作为底物时，得到两种异构体的混合物（图4）。

图4. 芳基磺酰基叠氮的底物范围

（来源：Nature Communication）

为了进一步拓展该反应的潜在应用价值，作者探究了2,3-萘并苯并噻咯6l和9,10-蒽二硼酸7的偶联反应性能。在碱性条件下，钯催化2,3-萘并苯并噻咯6l和9,10-蒽二硼酸7的偶联反应得到含有三个蒽基团聚合的π电子富集的萘苯并噻咯化合物8（图5a）。其相应的紫外吸收和荧光发射光谱进一步证实了环芳构化产物2,3-萘并苯并噻咯在深蓝色发光材料领域具有重要的潜在应用价值。

图5. 合成应用

（来源：Nature Communication）

为了深入研究该环芳构化反应的机理，作者设计了相关控制实验。a) 邻炔芳基乙烯基硅烷和磺酰肼反应的到目标产物，该结果暗示芳基磺酰基叠氮可能经过过氮宾二聚，再质子化产生不稳定的芳基磺酰基二酰亚胺脱氮气得到芳基磺酰基自由基。b) 标准反应中加入自由基抑制剂TEMPO的实验结果表明该环芳构化反应体系中涉及芳基磺酰基自由基的形成。c) 邻炔基乙烯基醚和磺酰基叠氮反应得到含二氧化硫的环化产物，该结果表明硅/氧原子互换显著影响了乙烯基硅的反应路径。同时也证明由芳基磺酰基叠氮产生的芳基磺酰基自由基更倾向于首先进攻碳碳双键而不是碳碳三键。d) 乙烯基硅烷和邻甲基苯磺酰基叠氮反应得到未芳构化的产物，可能原因是邻甲基取代的芳基磺酰基叠氮的空间位阻抑制了潜在的结构重排和随后的芳构化过程。e) 通过测试光催化剂和磺酰基叠氮三重态能量的测试结果，暗示该反应机理不属于能量转移过程，而可能涉及单电子转移过程。f) 磺酰基叠氮对光催化剂有明显的淬灭作用，该实验结果进一步佐证了光催化剂和磺酰基叠氮之间确实存在单电子转移过程。g) 通过二茂铁作内标测试光催化剂和磺酰基叠氮的氧化还原电位结果，说明光催化剂在加热条件下可能转移单电子给磺酰基叠氮（图6）。

图6. 机理探究

（来源：Nature Communication）

为了从理论上研究该反应的机理，我们开展了对光催化邻炔芳基烯基硅烷和芳基磺酰基叠氮环芳构化反应的密度泛函理论 (DFT) 计算，分别从芳基磺酰基自由基对邻炔芳基烯基硅烷双键或三键的加成，自由基环化，自由基的Smiles重排脱SO₂及芳构化过程以及相应的自由能变化进行了探究（图7）。

图7. 理论计算

（来源：Nature Communication）

基于上述控制实验和DFT理论计算，作者提出了如下可能的反应机理。就反应路径path a而言（图8），激发态光催化剂PC1和磺酰基叠氮2a发生单电子转移产生氮宾自由基并质子化得到磺酰肼。随后磺酰肼被氧化生成不稳定的二磺酰二亚胺，脱氮气产生芳基磺酰基自由基。芳磺酰基自由基对底物1a中碳碳双键自由基加成得到α-硅基碳自由基中间体A，随后再与碳碳三键发生分子内自由基环化得到乙烯基自由基中间体B。然后中间体B再发生分子内的环化反应，经历Smiles重排得到螺环中间体C，C脱二氧化硫产生β-硅基碳自由基中间体D。随后中间体D发生分子内自由基加成环化得到中间体E，最后E再经历单电子转移、芳构化得到最终产物3a。与path a相比，path b（图8）路径中磺酰基自由基首先对碳碳三键自由基加成得到乙烯基自由基F。通过串联环化得到自由基中间体G和H。尽管中间体H可以通过脱二氧化硫得到中间体E，但是控制实验和理论计算表明path a反应路径更加合理。

图8. 环芳构化反应的机理

（来源：Nature Communication）

这一成果近期发表在Nat. Commun.上(2021, 12, DOI: 10.1038/s41467- 021-23326-2)，研究工作实验部分由华南理工大学化学与化工学院曾伟教授课题组博士生陈凤娟完成，理论计算部分由中山大学柯卓锋教授课题组邵佑湘副研究员完成，化合物的光物理性能测试由华南理工大学材料科学与工程学院苏仕健教授课题组博士生李梦珂完成。上述研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委和广东省自然科学基金等的资助。

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