烯烃是重要的化工原料和有机合成砌块，烯烃的双官能化反应是高原子和步骤经济性构建有机分子的重要合成策略。自由基-自由基偶联反应为烯烃的自由基双官能团化提供了新策略，即自由基对烯烃的加成所产生的烷基自由基物种被另一个自由基捕获实现烯烃的双官能团化。然而，这种加成-偶联策略难以实现两类相近结构自由基的选择性双官能团化。自由基的反应性是取决于其结构的本质属性，区分具有相似结构的两个自由基的反应性是自由基化学中一项极具吸引力和挑战性的任务。
1,4-双酰基化合物在农药分子和生物活性分子中广泛存在，同时在材料科学领域也有着重要应用。烯烃的1,2-双酰基化反应为1,4-双羰基化合物的合成提供了一种直接的合成路径。通过使用计量还原剂或NHCs催化的活化烯烃的Stetter反应可以实现烯烃对称的1,2-双酰基化反应，然而非对称的双酰基化反应选择性较差（Scheme 1a, Chem. Commun., 2014, 50,12285）。对于非对称的1,2-双酰基化反应，选择性控制是关键挑战。近期，吴骊珠院士团队利用自由基-离子交叉偶联策略，首次实现了烯烃的高选择性非对称双酰基化反应（Scheme 1b）。该策略中作者通过调整酰基自由基前体的还原性和亲电性，实现了酰胺酰基和苯甲酰基的有效区分（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 26822; DOI: 10.1007/s11426-022-1328-5）。
Scheme 1. Unsymmetric 1,2-dicarbonylation of alkenes（来源：Science China Chemistry）
NHCs可以有效稳定酰基自由基物种，可将瞬态的酰基自由基物种转化为持久的NHCs-键合的酰基自由基，为酰基自由基参与的自由基-自由基偶联反应提供了新策略。东北师范大学张前教授和郑光范副教授团队认为利用NHCs稳定酰基自由基的性质，通过光/NHCs协同催化体系，同时产生酰基自由基和NHCs-键合的酰基自由基物种，利用两种自由基截然不同的反应性，可实现烯烃高选择性的非对称双酰基化反应（Scheme 1c）。在这样的研究背景和思路下，作者以苯甲酰甲酸为酰基自由基来源，苯甲酰氟为NHCs-键合的酰基自由基前体，实现了烯烃的对称和非对称双酰基化反应。首先，作者探究了对称的双酰基化反应底物使用范围，发现该反应体系有非常好的官能团耐受性（Table 1）。该反应也可适用于活化烯烃和内烯烃，然而产率相对较低。Table 1 Substrate scope for symmetric 1,2-dicarbonylation.a), b)
a) Conditions A: Unless otherwise noted, all the reactions were carried out with 1 (0.2 mmol), 2a (0.4 mmol), 3a (0.4 mmol), NHC-1 (0.03 mmol), PC-1 (0.003 mmol) and Cs2CO3 (0.4 mmol) in PhMe (4 mL) at rt under N2, irradiation with Blue LEDs (453.5 nm, 5 W) for 24 h. b) Isolated yield.（来源：Science China Chemistry）
接着，作者将注意力转移到非对称的1,2-双酰基化反应中（Table 2）。首先，对酰基自由基源进行了拓展，含有不同取代基的苯甲酰甲酸都能够很好地兼容，但同时也伴随着少量的对称的1,2-双酰基化副产物。当使用二氯甲烷做溶剂时，1,2-双酰基化反应体系能够拓展到丙酮酸和他的衍生物中，且几乎对称的双酰基化副产物的产生（Table 2A）。接着，作者以丙酮酸为乙酰基源，对酰氟（Table 2B）和烯烃（Table 2C）的底物适用范围进行了探究。研究发现：该反应底物适用范围非常宽泛，各种取代的芳基酰氟和苯乙烯类衍生物均可高效、高选择性地转化为1,4-二酮类骨架。值得注意的是，天然产物和药物分子衍生的烯烃，也可以很好地兼容，表现出宽泛适用于不同苯环上含供、吸电子基团的底物，表现出良好的兼容性，以50-73%的收率得到目标产物80-84。
Table 2 Substrate scope for unsymmetric 1,2-dicarbonylation of alkenes a)
a) Conditions B: For aryl-substituted α-keto acids, the reactions were carried out with 1 (0.2 mmol), 2 (0.6 mmol), 3 (0.6 mmol), NHC-1 (0.03 mmol), PC-1 (0.003 mmol) and Cs2CO3 (0.4 mmol) in PhMe (4 mL) at rt under N2,
irradiation with Blue LEDs (453.5 nm, 5 W) for 24 h. isolated yields.
Conditions C: For alkyl-substituted α-keto acids, DCM was employed as
the solvent instead of PhMe. Isolated yields. b) 1NMR yields for symmetric 1,2-dicarbonylation by-products employing CH2Br2 as the internal standard. c) 4.0 equiv 2 and 3 were employed.（来源：Science China Chemistry）
为了探究反应机理，作者进行了一系列机理实验。空白实验结果表明：NHCs、光敏剂和光照对反应是必须的（Scheme 3a）。使用酰基𬭩离子87在无NHCs催化下以32%的产率得到目标产物42，表明酰基嗡离子可能是关键中间体（Scheme 3b）。以3n为自由基前体时，可得到烷基化酰化产物88，表明该反应经历酰基自由基物种（Scheme 3c）。此外89可发生6-exo-trig环化生成90，也支持酰基自由基的形成（Scheme 3d）。含环丙烷的烯烃91能够得到开环的氢酰化产物92和93，为苄基自由基提供了证据（Scheme 3e）。作者也进行了光暗实验，排除了自由基链反应历程。有趣的是，α-芳基酮酸和丙酮酸的荧光淬灭实验结果截然不同：芳基酮酸比起酰基鎓离子87更容易淬灭激发态光敏剂，而87却比丙酮酸更易淬灭光敏剂。因此，两种不同的酮酸衍生物可能经历不同的反应机制——芳基酮酸可能是通过还原淬灭机制进行，而丙酮酸则倾向于发生氧化淬灭或能量转移。87的还原电势是EP=−1.39 V vs. SCE，相较于[Ir(ppy)2(dtbbpy)]PF6 (E1/2 IV/III*=−0.96 V vs. SCE)，作者认为激发态的光敏剂与87更倾向于经历能量转移历程。
Scheme 3. Mechanism investigation（来源：Science China Chemistry）
基于以上实验结果，作者认为：在丙酮酸体系中，酰基嗡中间体I与激发态的光敏剂发生能量转移，生成激发态的酰基嗡中间体I*，随后I与B进行单电子转移生成酰基自由基III以及NHC稳定的酰基自由基II。酰基自由基III对烯烃加成产生烷基自由基物种IV，被NHCs-稳定的酰基自由基II捕获，实现烯烃的非对称双酰基化反应（Scheme 4）。
Scheme 4. Plausible reaction pathway（来源：Science China Chemistry）
综上所述，作者以酮酸衍生物和苯甲酰氟作为酰基前体，实现了NHCs-光协同催化的烯烃三组分双酰基化反应，合成了高附加值的1,4-二酮类化合物。机制研究表明该反应经自由基-自由基偶联历程进行。酰基自由基和NHCs-稳定的酰基自由基不同的反应性对选择性控制起到了自关重要的作用。该双酰基化反应条件温和、底物的适合范围宽泛、官能团兼容性良好，为烯烃对称和非对称双酰基化反应开辟了新途径。相关成果近期以“Visible light-mediated NHCs and photoredox co-catalyzed radical 1,2-dicarbonylation of alkenes for 1,4-diketones”为题在线发表于Science China Chemistry（DOI: 10.1007/s11426-022-1328-5），王丽红博士为文章的第一作者，郑光范副教授和张前教授为共同通讯作者（作者：Lihong Wang、Jiaqiong Sun、Jiuli Xia、Mingrui Li、Lianjin Zhang、Ruiyang Ma、Guangfan Zheng and Qian Zhang）。
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