酰基硅烷作为一种特殊的羰基化合物，被广泛应用于有机合成化学中。相较于其它的羰基化合物，酰基硅烷的三线态能量较低，容易被激发（例如：苯丙基三甲基硅基酮，ET = 55.3 kcal/mol；二苯基酮，ET = 69.1 kcal/mol）。酰基硅烷在可见光照射下是不稳定的，会产生卡宾A或者酰基自由基B等活性中间体进行后续的反应或者分解（图1a）。例如，Priebbenow等人报道了酰基硅烷在可见光条件下产生卡宾与分子内烯烃的[2+1]环化反应（图1b, Chem. Sci. 2022, 13, 3273–3280）。同时，武汉大学高等研究院的沈晓课题组报道了三氟甲基酰基硅烷与烯烃的分子间[2+1]环化反应（图1c, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202202175）。因此，在光催化下实现烯基取代的酰基硅烷与另外一个化合物之间的串联环化反应面临着巨大的挑战。在本论文中，沈晓课题组提出“无效能量转移催化”的策略，即通过将激发态酰基硅烷的能量转移到具有较低三线态能量的光催化剂来抑制酰基硅烷的光诱导分解，但这一步并不生成目标产物。通过这一策略尽量保持酰基硅烷处于基态，同时利用被激发的光催化剂去诱导另外一个底物产生自由基，进而与基态的烯烃取代的酰基硅烷完成自由基串联环化过程，生成目标产物。在这个策略的指导下，沈晓课题组开发了一种烯烃取代的酰基硅烷和烯丙基砜化合物之间的高效光催化串联环化反应合成环戊基醇衍生物的方法。该策略为发展酰基硅烷在光催化条件下的基态化学反应奠定了基础。相关成果发表在Nat. Commun.上（DOI: 10.1038/s41467-022-33730-x）。
图1，酰基硅烷的常见反应模式与沈晓课题组利用“无效能量转移催化”策略抑制酰基硅烷的光促分解，实现官能团化环戊基醇合成的研究思路（图片来源：Nat. Commun.）
作者发现加入1 mol% Eosin
Y后，酰基硅烷在光照下的分解会大大抑制（图2a）。荧光淬灭实验也说明Eosin Y的加入能够淬灭酰基硅烷的荧光（图2b）。在紫外吸收光谱发现酰基硅烷1a与Eosin Y在光源下没有明显重叠吸收（图2c）。瞬态吸收光谱说明3Eosin Y*激发三重态在1a加入后比Eosin Y单独激发下的信号强（图2d）。同时本文作者的计算研究发现酰基硅烷的三线态能（ET = 56.7 kcal/mol）要高于Eosin Y的三线态能（ET = 43.6 kcal/mol）。这些证据都支持了激发态1a向Eosin Y发生了能量转移过程。
图2，概念证明：通过能量转移催化抑制可见光诱导的酰基硅烷分解（图片来源：Nat.
Commun.）
作者经过一系列的条件筛选得到最优条件后，对硅基的影响进行了研究，发现SiMe3对于获得高的产率和非对映选择性是重要的。反应对C(sp2)-Me, C(sp2)-F, C(sp2)-Cl,
C(sp2)-Br, C(sp2)-I, C(sp2)-OMe, C(sp2)-CF3,
C(sp3)-CN都能够兼容。富电子取代基的噻吩和呋喃都有着较高的产率。伯醇、叔醇和脂肪醛这些对碱敏感的基团也能非常好地兼容。含生物活性结构薄荷醇和睾酮的烯丙基砜也有中等的收率。
图3，β-取代的环戊基醇的底物扩展（图片来源：Nat. Commun.）
作者将酰基硅烷换成丁烯基硅烷1f后生成γ-取代的环戊基醇产物，基本上得到中等偏上的收率，但是非对映选择性较差，可能因为生成的γ位的位阻影响较小。
图4，γ-取代的环戊基醇的底物扩展（图片来源：Nat. Commun.）
作者利用砜基α位的H酸性较强的特点，现场生成稳定的碳负离子后与分子上的活性受体进行分子内的Michael加成生成并环和桥环化合物。值得指出的是，这些环状结构是很多生物活性分子的重要结构单元。
图5，应用扩展（图片来源：Nat. Commun.）
为了研究反应的机理，作者首先向反应中加入TEMPO，发现反应被完全抑制，高分辨质谱也检测到捕获砜基自由基的产物，支持该反应进行自由基路径。开关灯实验以及量子产率支持其为自由基链式反应。作者也证实了光照10 min后，在黑暗条件下反应也继续进行。荧光淬灭实验说明了砜基自由基的生成与烯丙基砜和苯亚磺酸钠有关。将Eosin Y换成反式二苯基烯烃后，能够得到部分顺式烯烃，证明其与酰基硅有能量转移过程。
图6，机理实验验证（图片来源：Nat. Commun.）
DFT计算说明了反应的选择性以及非对映选择性的问题。砜基自由基进攻烯烃端基的能量要低于进攻内端，也更容易促进反应继续进行。生成的环烷基自由基12a进攻烯丙基砜会生成两种非对映选择性产物，其能量差为4.7 Kcal/mol，所以其非对映选择性较为优秀。
图7，计算实验证明（图片来源：Nat. Commun.）
作者根据实验结果提出如下机理：激发态酰基硅1a通过能量转移变成基态，Eosin Y可以从激发态酰基硅或者直接被光照变成激发态；苯亚磺酸钠和烯丙基砜通过单电子转移或者能量转移激发后生成砜基自由基进行自由基基态反应，首先该自由基进攻酰基硅生成烷基自由基I，其经过分子内环化生成烷氧自由基后快速经历自由基Brook重排生成亲核的环烷基自由基III，最后通过Giese-type加成后脱掉砜基自由基生成产物并完成砜基自由基循环。该反应成功的关键在于通过“无效能量转移催化”这一策略，可以避免酰基硅烷的光促分解，尽量保持在基态，从而参与自由基催化循环（图8）。
图8，机理预测（图片来源：Nat. Commun.）
在该工作中，沈晓教授团队提出了“无效能量转移催化”的概念，开发了一种光催化烯烃取代酰基硅与烯丙基砜的自由基串联反应合成环戊基醇化合物的方法。反应的成功归功于通过将能量从激发的酰基硅烷转移到具有较低三重态能量的光催化剂上，抑制了酰基硅烷的不良分解。该研究策略发展了酰基硅烷在光催化条件下的基态化学反应。
本文共同第一作者是沈晓课题组博士后张云霄和博士研究生张一智。武汉大学沈晓教授、戚孝天教授与中国科学院理化技术研究所吴骊珠院士为本文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委，广东省基础与应用基础研究基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。
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