【人物与科研】宁波大学魏文廷课题组OL: 可见光催化2-炔基芳基醚与磺酰氯的自由基加成/1,5-氢迁移/环化串联反应

导语

可见光催化反应因环境友好性、安全性、能耗低等优点，备受学术界和工业界的关注。然而，光催化剂的制备工艺较繁琐、成本较高、回收再利用困难，而无光催化剂光化学反应的出现为绿色合成带来了新思路。此外，自由基介导的氢原子转移（HAT）策略已经被广泛应用于远程C(sp³)−H官能化，此过程中自由基的产生通常依赖于催化剂或氧化剂。因此，利用能量转移（EnT）和溶剂-自由基接力策略来实现无光催化剂体系下可见光催化HAT反应是一个值得深入研究的课题。近日，宁波大学魏文廷课题组在可见光催化下利用EnT和溶剂-自由基接力的组合策略实现了2-炔基芳基醚与磺酰氯的自由基加成/1,5-氢迁移/环化串联反应。相关研究成果发表在Organic Letters（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01977）。

前沿科研成果

可见光催化2-炔基芳基醚与磺酰氯的自由基加成/1,5-氢迁移/环化串联反应

宁波大学魏文廷课题组在自由基串联反应方面做了系列前期工作（Green Chem. 2020, 22, 1388-1392；Green Chem. 2020, 22, 4593-4596；Green Chem. 2020, 22, 3952-3955；Chem. Commun. 2021, 57, 8288-8291；ACS Sustain. Chem. Eng. 2022, 10, 6057-6062）。在此基础上，作者研究了在生物质溶剂2-MeTHF和无光催化剂条件下可见光催化2-炔基芳基醚与磺酰氯的自由基加成/1,5-氢迁移/环化串联反应。该工作依靠EnT和溶剂-自由基接力组合策略产生磺酰自由基，在可见光或太阳辐射下制备一系列磺酰化二氢苯并呋喃衍生物（图1）。

图1. 通过EnT和溶剂-自由基接力组合策略实现2-炔基芳基醚与磺酰氯串联反应（来源：Org. Lett.）

作者首先对反应条件进行了优化，发现反应收率最高可达93%。为了考察该反应的适用性，作者随后对磺酰氯适用范围进行探究（图2）。首先，对一系列芳基磺酰氯进行考察，反应产率优良。接着，陆续考察了萘、噻吩取代的磺酰氯以及烷基磺酰氯，实验结果表明其均能顺利参与反应。

图2. 磺酰氯适用范围研究（来源：Org. Lett.）

此外，作者对底物2-炔基芳基醚的适用范围也进行了研究（图3）。实验结果表明，2-炔基芳基醚苯环上的取代基对反应无明显影响。鉴于苄基自由基良好的热力学稳定性，反应能以81%的收率得到目标产物3u。当R²和R³为环烷烃取代基时，底物对各种磺酰氯都具有较好的耐受性。然而，中间炔取代的芳基醚只能以痕量收率得到预期产物3aa。反应结果表明1,6-HAT过程在该体系下无法实现，却能以80%的收率获得炔烃加成产物4a。

图3. 2-炔基芳基醚的适用范围研究（来源：Org. Lett.）

为了进一步验证该方法的可拓展性和实用性，作者开展了两组太阳光催化实验（图4）。如图所示，当反应扩大至5.0 mmol的规模时，依然能以84%的收率制备磺酰化的二氢苯并呋喃化合物。

图4. 太阳光催化实验（来源：Org. Lett.）

为深入了解该反应的机理，作者开展了系列控制实验（图5）。首先，在标准反应条件下将2.0当量2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT）或1-环丙基乙烯基苯加入反应液中反应后，发现只检测到痕量目标产物3c，同时以78%的收率得到5a，这验证了反应是通过自由基途径进行的。随后，当氘代底物1a-D₇作为反应物时，得到几乎完全氘代的产物3a-D₇，表明反应经历了1,5-HAT。此外，作者借助GC-MS分析检测到了2-氯-2-甲基四氢呋喃和2-氯-5-甲基四氢呋喃，表明该反应过程中形成了氧α位碳自由基，该自由基可以从磺酰氯中攫取氯原子产生磺酰自由基。最后，可见光照射开/关实验表明，在短暂的黑暗条件下氧α位碳自由基仍可以借助自由基接力策略维持反应进行。

图5. 机理控制实验（来源：Org. Lett.）

紫外-可见吸收光谱和荧光猝灭实验的开展进一步验证了反应机理（图6）。紫外-可见吸收光谱表明只有1a可以吸收400-500 nm波长的光，且1a与2c的混合溶液光谱显示加入2c既没有增强吸光度也没有引起红移，故而排除了产生电子给体-受体（EDA）复合物的可能性。荧光猝灭实验及Stern-Volmer图表明，光激发1a后通过EnT过程被2c有效猝灭。

图6. 紫外-可见吸收光谱和荧光猝灭实验（来源：Org. Lett.）

结合上述研究结果和已有文献报道，作者提出了该反应的可能机理（图7）。首先，底物1a吸收光能后转化为激发态并被磺酰氯猝灭，通过EnT过程及S−Cl键均裂生成磺酰自由基。随后，磺酰自由基与2-炔基芳基醚经过自由基加成、1,5-HAT和5-exo-trig环化得到中间体IV。最后，中间体IV从溶剂2-MeTHF中攫取氢原子形成最终产物3和氧α位碳自由基。同时，氧α位碳自由基经自由基接力过程从磺酰氯中攫取氯原子产生磺酰自由基。

图7. 可能反应机理（来源：Org. Lett.）

综上所述，在无光催化剂条件下作者利用可见光催化在生物质溶剂2-MeTHF中实现了2-炔基芳基醚与磺酰氯的自由基加成/1,5-氢迁移/环化串联反应，开发了EnT和溶剂-自由基接力组合策略产生磺酰自由基的方法。实验研究结果表明，溶剂2-MeTHF是该反应中磺酰基生成的辅助动力。
该工作以“Visible-Light-Catalyzed Tandem Radical Addition/1,5-Hydrogen Atom Transfer/Cyclization of 2-Alkynylarylethers with Sulfonyl Chlorides”为题近期发表在Organic Letters上（DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01977），研究工作实验部分主要由宁波大学本科生李龙完成（论文作者：Long Li、Jiao-Zhe Li、Yong-Bin Sun、Chun-Mei Luo、Hui Qiu、Keqi Tang、* Hongxin Liu*and Wen-Ting Wei*）。

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魏文廷课题组简介

宁波大学魏文廷课题组致力于有机自由基转化新方法及新技术的开发和应用，主要围绕杂环化合物绿色合成、药物与功能分子设计制备展开工作。课题组成立五年来，已在业界认可的国际重要科技期刊上发表SCI一区或自然指数期刊论文20余篇。

魏文廷副教授简介

魏文廷，博士，副教授，硕士生导师，宁波大学化学系副主任，SCI期刊《有机化学》首届青年编委。2016年获湖南大学有机化学博士学位（师从国家杰出青年科学基金获得者李金恒教授），2018-2019年美国加州大学圣塔芭芭拉分校访问学者（合作导师Liming Zhang教授）。曾获湖南省自然科学一等奖（4/6）、中国化学会《有机化学》年度优秀论文奖（1/5）、全国大学生挑战杯一等奖及“累进创新”专项奖指导教师（1/3）。研究成果以通讯作者或第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Central Sci.、Green Chem.、Org. Lett.、Chem. Commun.、Chinese J. Catal.、ChemSusChem、ACS Sustain. Chem. Eng.等发表，其中7篇论文影响因子大于10、16篇论文影响因子大于9、8篇论文入选ESI全球TOP 1%高被引或TOP 1‰热点。

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