【人物与科研】西安交通大学郭丽娜课题组Chem. Eur. J. & JOC：可见光诱导铜催化环烷酮的氧化裂解反应研究

导语

氧化反应是有机合成与工业生产的重要反应之一。例如，生产尼龙-66所需的单体己二酸可通过环己酮的氧化反应来合成。环烷的传统化学氧化主要采用KMnO₄、HNO₃等强氧化剂，存在着毒害性、腐蚀性、工业污染严重等问题。近日，西安交通大学郭丽娜教授课题组采用可见光促进的能量转移策略，高效产生能量更高的单线态氧，实现了温和条件下非张力环烷酮的催化氧化开环反应，有效避免了传统氧化的缺点，为工业生产奠定了良好的理论基础。相关成果发表于Chem. Eur. J.（2020, 26, 11690-11694）和J. Org. Chem.（DOI: 10.1021/acs.joc.1c00708）。

郭丽娜教授课题组简介

课题组成立以来主要从事的研究包括：1）过渡金属催化的串联/环化反应研究；2）惰性化学键活化；3）功能化小分子的设计与合成研究；目前已在国际权威的化学期刊 Acc. Chem. Res.、Angew. Chem. Int. Ed.、Org. Lett.、Chem. Commun.等杂志上发表 SCI 论文 70余篇；其中，13 篇论文入选“基本科学指标数据（ESI）” 高被引论文，1篇入选热点论文。课题组目前有博士生3名，硕士生4名。

郭丽娜教授简介

郭丽娜，西安交通大学化学学院教授，博士生导师；2008年博士毕业于兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室，师从梁永民教授，主要从事过渡金属催化方面的研究；2008-2010年在德国慕尼黑大学化学系从事博士后研究，合作导师为Paul Knochel教授，并获得“洪堡学者”；2010年入职西安交通大学；主持国家自然科学基金2项、省部级项目3项、校级项目3项、企业项目3项。

前沿科研成果

可见光诱导铜催化环烷酮的氧化裂解反应研究

可见光因其储量丰富、绿色、环保等特点，使得可见光催化成为有机合成研究的热门领域。过去的十几年里，可见光诱导的光催化自由基反应已成为化学家们关注的热点，特别是在碳-碳键活化方面，可见光催化更是为有机分子骨架的快速转化提供了高效的途径。

传统工业氧化反应主要采用KMnO₄、HNO₃等化学强氧化剂，给设备和环境等带来很大的危害。在提倡绿色合成降低污染的时代背景下，氧气作为一种绿色、丰富、廉价易得的氧化剂无疑是理想的选择。本研究中，作者采用可见光诱导能量转移的策略，将基态氧气激发到能量更高的单线态氧，从而使非张力环酮发生氧化碳-碳键裂解，合成了一系列官能团化的酮酸化合物（图1）。

图1.（来源：J. Org. Chem.）

在10 W蓝光的照射下，催化量的Cu(OTf)₂为催化剂，乙腈为溶剂时，多种α-芳基环己酮发生氧化碳-碳键裂解，生成相应的ε-酮酸2a-2m（图2）。芳环的对位、间位和邻位上的给电子基团（Me、OMe 和 OCF₃）和吸电子基团（F、Cl 和 CF₃）均可兼容。然而，2-甲基环己酮由于转化率低，只能以11% 的产率得到目标产物2p。作者设想借助光敏剂发生能量转移产生单线态氧从而促进反应的进行。最终，作者确定玫红酸（Rosolic acid）为最佳光敏剂。在可见光、光敏剂及铜盐的共同作用下，2-苯基环己酮进行反应时，目标产物2a的产率从73%提高到85%，2-甲基环己酮产物2p的产率从11%提高到87%。新反应体系下，一系列2-烷基环烷酮均可以顺利参与反应（2p-2v）。此外，对于不同环大小的环酮，比如四元、五元、六元、七元、八元环等均以中等偏上的产率得到目标产物（图2）。作者还对该反应进行克级规模试验，目标产物2a、2p均可得到较高收率，也表明该反应的实用性。

^aReaction conditions A: 1a (0.2 mmol, 1.0 equiv), H₂O (1.0 mmol, 5.0 equiv), 5 mol % of Cu(OTf)₂, CH₃CN (2.0 mL), Blue LEDs (10 W), for 48 h, under air. Yields of isolated product. ^bReaction conditions B: 1a (0.2 mmol, 1.0 equiv), H₂O (1.0 mmol, 5.0 equiv), 5 mol % of Cu(OTf)₂, 5 mol % of Rosolic acid, CH₃CN (2.0 mL), Blue LEDs (10 W), for 48 h, under air. ^cYields were based on recovered starting material.

图2. 取代环己酮底物适用范围

（来源：J. Org. Chem.）

^aReaction conditions A: 1a (0.2 mmol, 1.0 equiv), H₂O (1.0 mmol, 5.0 equiv), 5 mol % of Cu(OTf)₂, CH₃CN (2.0 mL), Blue LEDs (10 W), for 48 h, under air. Yields of isolated product. ^bReaction conditions B: 1a (0.2 mmol, 1.0 equiv), H₂O (1.0 mmol, 5.0 equiv), 5 mol % of Cu(OTf)₂, 5 mol % of Rosolic acid, CH₃CN (2.0 mL), Blue LEDs (10 W), for 48 h, under air. ^cYield was determined by ¹H NMR using 1,3,5-trimethoxybenzene as an internal standard.

图3. 不同环酮底物适用范围

（来源：J. Org. Chem.）

基于一系列的实验事实及相关文献报道，作者推测了两种可能的反应机理（图4）。

路线a: 环酮在在铜盐作用下烯醇化，进一步被光激发，经过SET过程，产生自由基中间体C，自由基被氧气捕获，再发生异构化重排，生成过氧化物E，进而发生O-O键均裂，最终氧化水解得到目标产物。

路线b: 光敏剂玫红酸受光激发，将能量转移给氧气产生单线态氧，单线态氧与环酮在铜盐作用下的烯醇中间体反应，生成二氧环丁烷中间体B，最终发生C-C键和O-O键断裂得到目标产物。

图4. 可能的反应机理

（来源：J. Org. Chem.）

综上所述，郭丽娜课题组发展了可见光诱导铜催化环烷酮的氧化裂解反应，以较高的收率合成一系列γ-, δ-, ε-酮酸以及二元羧酸。该反应具有较好的底物适用范围和官能团耐受性。这一成果近期发表于J. Org. Chem.（DOI: 10.1021/acs.joc.1c00708）。该论文作者为：Hong Xin、Xin-Hua Duan、Mingyu Yang、Yiwen Zhang and Li-Na Guo*。上述研究工作得到国家自然科学基金委资金资助（21971201）。

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