【人物与科研】南方科技大学舒伟课题组Chem. Sci.：无金属条件下烯丙基碳氢键氮化、氧化和碳化反应研究
导语
烯丙基 C-H 键直接官能化最大限度地提高了步骤和原子经济性，是有机合成中最直接且最具有吸引力的转化之一。传统的烯丙基 C-H 官能化反应通常需要过渡金属，如 Pd、Cu 和 Ir 的催化（图 1a）。近几年，通过氢原子转移实现烯丙基 C-H 键的自由基裂解，进而实现烯丙基C-H键的多样性转化也得到了重视。以上策略的的立体化学在很大程度上受到催化剂和配体的影响，主要生成热力学更加稳定的E 选择性的 C-H 官能化产物。相比之下，Z选择性的烯丙基 C-H 官能化更具挑战性。
近几年，芳烃通过噻蒽化实现了芳烃的区域选择性 C-H 官能化反应，提供了将芳烃 C-H 键直接转化为多种化学键的方法（图 1b）。2021年，Wickens 课题组报道了电化学条件下从烯烃和噻蒽合成 1,2-二取代的噻蒽盐，进而与伯胺反应生成氮杂环丙烷。尽管有机噻蒽盐的化学反应研究取得了很大的进展，但所有上述有机噻蒽盐的官能化反应均局限于噻蒽盐的原位碳（ipso）的反应，在烯基噻蒽盐的烯丙基位进行官能化的例子还没有报道。
图1. 有机噻蒽盐的官能化（来源：Chem. Sci.）
近期，南方科技大学舒伟课题组报道了烯烃通过噻蒽化进而在无金属条件下发生选择性烯丙基 C-H 官能化的反应（图 1c）。通过噻蒽化，室温条件下将烯丙位碳氢键官能团化，形成 C-O、C-C 和 C-N 键，从而生成各种烯丙基酯、烯丙基醚、烯丙基硫酯、烯丙基芳烃、烯丙基胺、烯丙基铵和烯丙基酰胺等。有趣的是，此方法的 C-H 官能化生成的烯烃具有Z 式选择性。相关研究成果发表于Chemical Science (Chem. Sci. 2022, 13, 1003-1008; ChemRxiv 2021, DOI: 10.33774/chemrxiv-2021-2w0jx)。
舒伟老师简介
舒伟博士，研究员、课题组长、博士生导师。本科毕业于南开大学，获理学、经济学双学士学位；博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所，师从麻生明研究员和贾国成教授，获中科院院长优秀奖；博士毕业后分别于苏黎世大学、普林斯顿大学和麻省理工学院从事博士后和研究工作；2018年5月加入南方科技大学化学系开展独立研究。迄今为止，舒伟博士在Nat. Commun.、JACS、ACIE等国际一流期刊发表论文40余篇，其中ACIE 9篇，JACS 3篇，Nat. Commun. 3篇，ACS Catal. 5篇，Chem. Sci. 3篇。授权和申请专利7项。目前课题组在可见光催化及第一过渡系金属催化等绿色催化化学领域取得良好积累和多项成果。课题组长期招聘博士后、研究助理和访问学生。欢迎具有热爱化学、踏实、勤奋努力的同学加入本课题组，共同奋斗和成长。
课题组主页：
http://faculty.sustech.edu.cn/shuw/
联系方式：shuw@sustech.edu.cn
前沿科研成果
无金属条件下烯丙基碳氢键氮化、氧化和碳化反应研究
在最优反应条件下，烯基噻蒽盐（1）和亲核试剂（2）反应生成烯丙基C-H断裂产物（3）（图2）。此反应适用于多种类型的羧酸：（杂）芳基羧酸、烷基羧酸、酮酸、炔基和烯基羧酸都能高效的得到相应的烯丙基酯产物（3a-3o）。多种含有羧基的天然产物、药物分子和多肽分子都能通过此反应转化成相应的烯丙醇酯类衍生物（3p-3z）。另外，含有多种官能团的烯基均能经过噻蒽盐化，然后有效地转化成相应的烯丙基酯类产物（4a-4n），并且以Z式烯烃为主要目标产物。醇、酚、硫代羧酸和富电子芳烃聚能作为亲核试剂，得到相应的烯丙基C-H官能化产物（5a-5d）。值得注意的是，烷基胺、芳基胺、伯胺、仲胺均能作为有效的亲核试剂，发生烯丙基C-H胺化反应获得相应的Z式为主的烯丙基胺产物（6a-6j）。另外，三级胺和磺酰胺，也能顺利发生烯丙基C-H氮化反应，得到相应的Z式为主的烯丙基季铵盐和烯丙基磺酰胺产物（6k-6o）。几乎同一时间，Wickens 课题组报道了烷基仲胺与烯基噻蒽盐发生烯丙基C-H胺化反应，得到Z式为主的烯丙基叔胺（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21503–21510）。
图2. 噻蒽盐的无金属催化 Z 选择性烯丙基 C-H 官能化底物普适性（来源：Chem. Sci.）
然后，作者对该反应的实用性和机理进行了探究（图3）。在一锅法条件下，使用噻蒽单氧化物、普通烷基烯烃和亲核试剂为原料可以以相当的（63%）产率和Z/E选择性得到目标烯丙基C-H官能团化产物（图3a）。在标准反应条件下，加入2.0当量的自由基捕获剂TEMPO、BHT后者9，10二氢蒽，反应几乎不受影响（图3b），说明该反应应该没有经历自由基中间体。使用化合物7做为原料替代烯基噻蒽盐，可以以相当的结果得到相应的烯丙醇酯和烯丙胺化产物（图3c），说明化合物7可能是反应的中间体。
图3. 噻蒽盐的无金属催化烯丙基 C-H 官能化应用及机理探究
总结：
综上所述，南方科技大学舒伟课题组建立了温和、无金属条件下通过噻蒽化实现普通烯烃烯丙位 C-H 键官能团化的方法。该反应可在无过渡金属的情况下与多种氮、氧、硫、碳等亲核试剂反应，以良好的收率得到多烷基取代的烯丙酯、硫酯、醚、伯胺、仲胺、叔胺、季铵盐、磺酰胺和芳烃等。该反应生成的烯烃具有 Z 式选择性，且具有优良的官能团兼容性。该反应可用于天然产物、氨基酸和类药物分子的化学选择性烯丙基化。一锅法实验可以有效地获得烯烃的直接烯丙基 C-H 官能团化产物。
论文第一作者为博士后刘明上，通讯作者为舒伟副教授。该工作得到了国家自然科学基金委员会、广东基础与应用基础研究基金会、珠江人才计划、广东省催化重点实验室的支持。
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