【有机】JACS：利用光引发硝基芳烃的氧转移过程实现烯烃的无氧断裂

羰基广泛存在于天然产物和药物分子中，而烯烃的氧化断裂是有机合成化学中构建羰基官能团的重要手段。在这其中，最常用的方法为臭氧氧化法。但此方法存在臭氧易爆炸、需要臭氧发生器、化学计量难以控制等不足，从而限制了其应用（Scheme 1A）。虽然Lemieux和Johnson课题组发展了烯烃的双羟化-氧化串联反应来实现羰基化合物的合成，但此反应需在强氧化条件下进行，并生成大量有毒废弃物，从而限制了其应用（Scheme 1B）。基于此，发展一种温和、通用和高效的烯烃氧化断裂方法具有重要意义。虽然近期有机化学家已经发展了过渡金属和有机光催化等策略来实现烯烃的氧化断裂。但是此类反应通常需要氧气作为氧化剂，从而限制了反应的应用范围。最近，纽约大学Marvin Parasram课题组利用硝基芳烃作为氧转移试剂，在光引发下实现了烯烃的无氧断裂过程，从而实现了一系列羰基化合物的合成。此方法具有条件温和、底物和官能团兼容性好、安全性高等优势，并可以放大至克级规模，具有较好的实用性。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c05648上（Scheme 1C）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

烯烃臭氧化过程的一个关键步骤是臭氧的1,3-偶极环加成。与臭氧相比，硝基芳烃与烯烃的环加成在热力学上是不利的，因此需要利用光引发来实现此过程。作者首先利用对氟苯乙烯与对氰基硝基苯进行条件筛选，发现当在390 nm紫光引发下，在乙腈（0.1 M）中23 ℃反应，可以以71%的产率得到产物2a。在得到最优反应条件后，作者对烯烃的底物适应性进行探索（Table 1）。实验结果表明，反应具有良好的底物适应性和官能团兼容性。此外，反应可以放大至克级规模，证明了此转化的实用性。值得注意的是，反应可以兼容非活化烯烃和复杂生物活性分子（如betulin）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者对此转化的机理进行探索。紫外-可见光谱表明苯乙烯（紫色）和硝基芳烃（绿色，100 mm）之间可能形成了EDA络合物，且此络合物并不是在基态形成的（Figure 1）。此外，控制实验表明反应中可能存在氧中心双自由基中间体。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

此外，作者还利用cis-和trans-3进行控制，实验证明二噁唑烷中间体可能是通过双自由基环加成得到的（eq 1）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

接下来，作者通过原位¹H和¹⁹F光核磁波谱来证明二噁唑烷中间体的形成。作者首先利用顺式环辛烯1al与4-CF₃−PhNO₂在25 ℃反应得到二噁唑烷中间体6。随后6在60 ℃下热解得到2al，表明二噁唑烷中间体6的碎裂并不是通过光化学促进的。此外，6发生氢化后得到顺式和反式（1:1）两种二醇的混合物7，表明反应中涉及到非立体专一的自由基关环过程（Figure 2A）。为了探索此反应在转化过程中是否有其它中间体形成，作者使用取代的苯乙烯8与4-CN−PhNO₂在-40 ℃反应，并对其进行了光核磁监测。实验结果表明反应会首先形成1,3,2-二噁唑烷中间体Int I（δ_H = 4.87 ppm），随后Int I的裂解产物与羰基亚胺中间体和2a经1,3-偶极环加成生成1,4,2-二噁唑烷中间体Int II（δ_H = 5.21 ppm）。当8消耗完毕后，反应温度升高度至-20 ℃时，Int I和Int II会发生快速降解生成硝酮中间体9（δ_F = −112.4 ppm）。接着9可以发生光化学互变，得到氧杂吖丙啶中间体10，最后10发生重排得到酰胺产物11（Figure 2B）。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于上述实验结果，作者提出了可能的反应机理（Scheme 2）。首先，在390 nm光照射下，激发态的硝基芳烃S₁经历ISC得到双自由基中间体T₁。随后T₁与烯烃发生自由基加成得到中间体12。接着通过分子内自由基关环生成二噁唑烷中间体13（R = 芳基），其可以在-20 ℃下通过自由基或极性路径发生碎裂。而通过自由基碎裂后得到两种羰基化合物和芳基乃春副产物。遗憾的是，作者尝试对芳基乃春进行捕获，但并没有成功。在极性碎裂过程中，可能包含两种路径。在任何一种路径中，羰基亚胺中间体均会与羰基发生1,3-偶极环加成，得到1,4,2-二噁唑烷中间体14 和 15，而后再经历碎裂得到目标产物。值得注意的是，涉及生成噁二嗪烷中间体的反应路径也不能完全排除。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：纽约大学Marvin Parasram课题组报道了光引发下烯烃的无氧断裂过程。反应无需外源氧化剂，利用硝基芳烃作为氧转移试剂即可实现一系列羰基化合物的合成。此方法具有条件温和、底物和官能团兼容性好、安全性高等优势，并可以放大至克级规模，具有较好的实用性。

论文信息：
Photoinduced Oxygen Transfer Using Nitroarenes for the Anaerobic Cleavage of Alkenes
Dan E. Wise, Emma S. Gogarnoiu, Alana D. Duke, Joshua M. Paolillo, Taylor L. Vacala, Waseem A. Hussain, and Marvin Parasram*
J. Am. Chem. Soc. DOI: 10.1021/jacs.2c05648

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。