【人物与科研】吉林化工学院汪锐博士和辽宁大学梁福顺教授合作OL：通过可见光促进的原子取代过程，将硫代羧酸转化为羧酸

导语

原子取代，从合成方法学角度，是一类非常重要的反应。但是此类反应难度很大，因为涉及到如何实现选择性地取代单个原子。因此，相关工作在有机合成领域报道较少，尤其是对于“oxygen-for-sulfur”的原子取代过程，几乎未见报道。近日，吉林化工学院汪锐博士和辽宁大学梁福顺教授合作，通过利用DMSO与硫代羧酸组合，形成光活性的氢键加合物，先后经由质子耦合电子转移（PCET）、原位生成酰硫基自由基和羟基自由基、硫自由基偶联、羟基自由基加成以及硫原子挤出过程，实现了“oxygen-for-sulfur”的原子取代，高效地合成了各种烷基和芳基羧酸化合物。相关成果在线发表于Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c00481）。

汪锐博士简介

汪锐，讲师，硕士生导师。2019年在东北师范大学取得博士学位，师从梁福顺教授，2019年至今在吉林化工学院石油化工学院工作。主要从事有机光合成的研究，先后在Org. Lett、Org. Biomol. Chem.等国际期刊发表学术论文5篇。

梁福顺教授简介

梁福顺，教授，博士生导师。辽宁大学发光材料研究院院长。2002年在中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位；2003-2005年在早稻田大学开展博士后研究（日本学术振兴会JSPS奖学金资助）；2007-2008年，在加拿大国家研究院开展访问研究（加拿大NSERC奖学金资助）。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2005年5月至2016年8月在东北师范大学化学学院工作。2016年8月转入辽宁大学化学院工作。梁福顺教授已在国内、外著名学术刊物如：J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）、Chem. Commun.（8篇）、Org. Lett.（15篇）上发表论文70余篇。共承担国家自然科学基金面上项目3项。

前沿科研成果

通过可见光促进的原子取代过程，实现硫代羧酸向羧酸的转化

原子取代，是一种可以选择性地取代单个原子的反应，已作为一种强有力工具应用在聚合以及生物成像等领域。关于原子取代，我们所熟悉可能是卤素取代、氢/氘取代以及在离子液体、电池和二维材料等无机材料的制备过程。真正将原子取代策略用在有机转化的例子较少，代表的方法是通过劳森试剂实现的“sulfur-for-oxygen”的原子取代过程（图1a），然而，对于“oxygen-for-sulfur”的原子取代过程，几乎未见报道。本文在前期工作的基础上，成功实现了这一过程，高效合成了各种烷基和芳基羧酸产物（图1b）。随后，对这一反应进行了深入研究。

图1. 通过原子取代的合成转化过程

（来源：Org. Lett.）

首先，作者以硫代苯甲酸和DMSO为模型底物来优化反应条件。在获得最佳反应条件后，作者进一步对底物范围进行了拓展。该方法对于不同的芳基硫代酸（Table 1）和烷基硫代酸（Table 2）底物都能很好的兼容性。

Table 1. 芳基硫代羧酸的底物范围

（来源：Org. Lett.）

Table 2. 烷基硫代羧酸的底物范围

（来源：Org. Lett.）

为了进一步展示该方法的应用潜力，作者实现了多个产物的克级制备，最大可以达到6 g级别（图2）。

图2. 克级制备

（来源：Org. Lett.）

为了探究反应历程，作者通过紫外-可见吸收光谱（图3a, b）及TMEPO和p-DNB（图3c, d）等一系列对照实验，证明可见光激发下，硫代羧酸与DMSO分子间氢键加合物的形成并发生单电子转移。

图3. 对照实验

（来源：Org. Lett.）

进一步的平行核磁实验证明了反应体系中存在二甲硫醚（图4），进而佐证了反应过程中羟基自由基的生成。

Parallel ¹H NMR spectra of (A) the reaction system mixture of 1o, DMSO and C₄F₉I after CH₂Cl₂ extraction. The signal at 2.10 ppm corresponds to the methyl protons of DMS. (B) DMS dissolved in CH₂Cl₂. (C) CH₂Cl₂ solvent.

图4. 平行核磁实验

（来源：Org. Lett.）

基于上述实验事实，作者提出了可能的反应机理（图5）：首先，硫代苯甲酸与DMSO形成氢键加合物I（C₄F₉I作为卤键给体，可以起到稳定复合物作用）；I在可见光激发下形成激发态质子转移复合物II^*; 经过单电子转移形成硫自由基III和羟基自由基VI（被二甲硫醚稳定，自由基池IV）；羟基自由基向硫自由基二聚物V加成，得到中间体VII；最后，挤出单质硫得到目标产物。

图5. 可能的反应机理

（来源：Org. Lett.）

总结：

该研究发现通过硫代羧酸与DMSO形成氢键加合物，在无光敏剂或过渡金属的情况下，利用可见光促进的策略，成功实现了“oxygen-for-sulfur”的原子取代，高效合成了各种烷基和芳基羧酸化合物。并且发现：DMSO在整个转化过程中扮演着溶剂、引发剂及反应试剂的角色。基于上述氢键组合的使用及羟基自由基的原位生成是整个原子取代过程实现的关键。相关成果发表在Org. Lett.（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c00481）上，实验工作主要由吉林化工学院硕士研究生解凯钧完成。通讯作者是吉林化工学院汪锐博士、娄大伟教授和辽宁大学梁福顺教授。相关工作得到吉林化工学院校级和博士启动项目（No. 2020010、202002、2021016）、辽宁省教育厅重点项目（LZD202005）、辽宁省“兴辽英才计划”（XLYC1902111）、吉林省科技厅和教育厅科研项目（20190303116SF、202002008JC、JJKH20210242KJ）的资助。

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