【有机】四川师范大学李洋课题组：可见光诱导水杨醛催化非活化烯烃的氢膦化反应

含磷有机化合物由于具有独特的功能活性，因而在研究中占有着很重要的地位，被广泛地应用在医药、农业、材料科学和催化等领域。通过过渡金属介导的偶联、亲核取代、加成反应等来实现C-P键的构建是合成有机磷农药最重要的策略之一。其中，不饱和键的氢膦化反应是一种简单、有效且原子经济性的合成新型三级膦氧化合物的方法。但是由于非活化烯烃的反应相对较难发生，因此需要过渡金属、自由基引发剂、微波、高温、紫外光等活化条件（Scheme 1a）。

近年来，可见光诱导的光催化反应成为了一种强有力的策略，其可以在更加绿色、温和的条件下发生反应。这一策略也通过构建C-P键从而应用于有机膦化合物的合成。2013年，Kobayashi课题组报道了一种简便的利用可见光诱导非活化烯烃的氢膦化反应。在最初的研究中，他们使用铱络合物作为催化剂，随后利用有机染料罗丹明B替代该金属络合物发挥出等效的催化能力。其机理是经过光氧化还原催化循环的还原淬灭直接生成膦酰基自由基（Scheme 1b）。受到该工作的启发，不饱和底物的膦酰基自由基加成过程也被拓展到炔烃的氢膦化反应、氧化膦化反应、串联膦酰基自由基环化反应、氧膦化反应、迁移碳膦化反应和膦化羧基化反应中。在这些反应中，常常用新型金属络合物或具有相对较大的π共轭配体、结构骨架的有机分子作为催化剂来使用（Scheme 1b）。

为了进一步降低可见光诱导的成本，人们希望可以利用更便宜的有机催化剂来代替光催化剂。2017年，Mathé课题组使用简单的芳香酮（DPAP）作为光引发剂实现了不饱和C-C键的磷氢加成反应。然而，在这个反应中高能量的光（UV-A, 365 nm, 60 W）是必不可少的。随后，也有几个例子证明可以利用简单的芳香醛在光照条件下实现烯烃的催化加成反应。其中一个代表性的机理是由激发态催化剂和底物发生一个能量转移过程（EnT），随后形成活性自由基（Scheme 1c）。同样，由于这些简单催化剂的π共轭体系较小，所以还是需要高能量的光来引发（主要在UV区域）。去年，Kang课题组提出了一种可见光诱导水杨醛催化的反应，发现水杨醛在DMSO溶液中被K₃PO₄脱质子时光吸收产生红移，从324 nm移动至417 nm。可见光诱导的EnT过程可以活化相应的底物（Scheme 1c）。最近，四川师范大学李洋课题组报道了在碱性水杨醛溶液中空气氛围下利用可见光诱导实现非活化烯烃的氢膦化反应（Scheme 1d）。相关成果发表在Green Chem., 2021, 23, 3600-3606上。

（图片来源：Green Chem.）

首先，作者利用二苯基氧膦（1a）和1-己烯（2a）作为底物对该反应的最优条件进行了筛选，最终确定最优条件为：2.5 mol% cat. 1、2.5 equiv.Na₂CO₃、蓝光催化，以1.0 M水作为溶剂，空气氛围反应。

（图片来源：Green Chem.）

接下来，作者以此最优条件对不同的膦氢化合物1和烯烃类底物2进行了底物拓展，实验结果证明该反应具有良好的底物适应性和官能团兼容性（Scheme 2、Scheme 3）。

（图片来源：Green Chem.）

（图片来源：Green Chem.）

随后，作者发现这种方法不仅可以实现非活化烯烃的氢膦化反应，还可以实现非活化端炔的氢膦化过程，拓展了更加广阔的底物范围（Scheme 4）。

（图片来源：Green Chem.）

为了进一步证明此方法的实用性，作者进行了克级实验（Scheme 5a）。将反应原料的量提高至5.0 mmol，采用最优反应条件，产物产率略有提高（92%）。当使用1a和二烯丙基醚2o进行反应时，以40%产率得到了环状产物3ao，dr值为4.7:1（Scheme 5b）。当向反应体系中加入2 equiv. TEMPO时，该反应不能发生（Scheme 5c）。这些实验结果证明，反应机理涉及膦酰基自由基物种的生成。

（图片来源：Green Chem.）

基于以上研究和2019年Kokotos课题组的报道，作者提出了一种可能的反应机理（Scheme 6）。首先，在可见光的照射下，去质子化的cat. 1吸收能量被激发得到激发态cat. 1*。随后激发态cat. 1*和基态cat. 1相互作用得到苯甲酰自由基cat. 1’和羟基苄基自由基cat. 1’’。cat. 1与SPO 1发生HAT过程生成膦酰基自由基I，同时重新得到cat. 1。自由基I与烯烃2发生反马加成，生成自由基II。接下来自由基II从羟基苄基自由基cat. 1’’中夺取H自由基，生成产物3的同时也得到了cat. 1。碱在该反应中不仅用于催化剂脱质子，也用于促进HAT过程。

（图片来源：Green Chem.）

总结：四川师范大学李洋课题组开发了一种可见光诱导去质子化水杨醛催化非活化烯烃的氢膦化反应。该反应有两个优点：1）低能量即可激发（可见光：蓝色LED，30 w）；2）使用廉价的催化剂。该反应在含有水和空气的氛围中都可以得到很好的产率。当把反应扩大规模时还能得到更好的结果，进一步展示了该方法在工业上的潜在应用价值。根据实验结果、计算和前人的研究，作者排除了光氧化还原和EnT过程，提出了HAT活化的机理。

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