美国康奈尔大学Tristan H. Lambert团队SA：通过电光催化产生Distonic自由基阳离子使碳酰与烯烃发生烯化反应
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第一作者： KERI A. STEINIGER
通讯作者：Tristan H. Lambert
通讯单位：美国康奈尔大学
论文DOI： 10.1126/sciadv.adg3026
研究背景
烯烃是有机化学中最常见的结构基调之一，广泛出现在生物、医药和材料方面的化合物中。它们也经常被用作精细、商品和聚合物化学合成的底物。因此，从廉价的原料材料中高效和有选择性地合成烯烃，长期以来一直是合成化学的一个重要挑战。构建烯烃的最普遍的策略是通过羰基化合物的反应，包括醛和酮，这一过程通常称为羰基烯烃化。实现羰基烯化的方法包括几个著名的 "名称反应"，如Wittig、Horner-Wadsworth-Emmons、Julia、Peterson和Tebbe烯化反应（图1A）。这些方法依赖于使用随机的、往往是敏感的试剂。这些因素会导致昂贵和浪费的协议，为工业规模的活动带来挑战。这项研究展示了一种在非碱性条件下利用电化学和电光催化的综合能力使羰基与简单烯烃发生烯烃化的一般方法（图1B）。
产生二元自由基阳离子最可靠的方法之一是通过环状二元苯1的氧化脱氮作用（图1C）。这类反应的一个众所周知的例子是双环二苯7的脱氮反应，根据反应途径的不同，它产生的是housane（8）或环戊烯（9）（图1D）。不涉及单电子氧化的条件--如热解、直接光解和光敏化光解--导致几乎完全形成housane（8）。结合上面的产品Tristan H. Lambert团队发现常用的光催化剂Ir(dFCF3ppy)2(dtbbpy)+氧化性太差无法实现双环二苯7的SET，而是通过能量转移影响脱氮，在辐照下用于脱氮7时，会形成 housane（8）（图1D）。
Tristan H. Lambert团队推断，为了使反应途径有利于所需的烯烃产品，有必要使用一种光催化剂，该催化剂在其还原形式下具有高得多的氧化电位，从而减缓BET的速率，使Wagner-Meerwein转变能够更好地竞争。如果这种高选择性的反应性能够与从简单的前体形成重氮化合物的简便方法结合起来，就可以实现强大的烯烃合成。假设有可能通过肼的电化学氧化在现场生成重氮试剂。这类转化的例子有限，大多是在稳定的重氮产品的背景下。Tristan H. Lambert团队的策略将保持这些中间产物的低稳态浓度，允许它们与烯烃底物原位反应，生成环状重氮化合物。值得注意的是，必要的腙前体很容易通过肼与醛或酮的缩合来制备。因此，Tristan H. Lambert团队设想了一种综合的氧化方法来处理羰基化合物的发油问题，包括（i）在原地形成腙，（ii）电化学氧化成重氮化合物并与烯烃自发进行 [3+2] 环加成，以及（iii）电光催化氧化脱氮以形成产品烯烃（图1E）。实现这一序列将提供一种有吸引力的方法，用廉价和丰富的烯烃使醛类和酮类油化，而不需要强碱或繁琐的化学副产品。
内容简介
羰基化合物转化为烯烃是对复杂分子合成非常重要的一种转化。标准方法使用原子经济性差的化学试剂，并且需要强碱性条件，这限制了其官能团的兼容性。一个理想的解决方案是在非碱性条件下使用简单和广泛使用的烯烃来催化烯烃，但目前还没有这种广泛适用的反应。Tristan H. Lambert团队展示了一个串联的电化学/光电催化反应，用广泛的未活化的烯类来使醛和酮类油化。
图文导读
在实践中，优化的程序首先是在分子筛的存在下，在室温下将羰基底物11与N-Boc（N-叔丁氧羰基）肼缩合，然后加入三氟乙酸（TFA）并温和加热以除去Boc基团并显示出未被取代的腙13。(肼本身可以用来直接制备13，这样就不需要去保护程序，但Tristan H. Lambert团队发现处理N-Boc肼更方便）。首先在未激活的脂肪族醛的背景下研究了发油程序。以壬醛为底物，该反应被证明与各种容易获得的烯烃偶联伙伴兼容（图2）。接下来研究了酮类的反应，以生成三代烯烃产品。在这些情况下，由于与二取代重氮化合物的 [3+2]-环加成步骤的速度较慢，反应在50℃下进行。使用这一修改后的程序，烯烃29的产率为77%，尽管是E/Z异构体的1：1混合物。Tristan H. Lambert团队还发现这个程序与大量复杂的分子兼容，包括含氮的杂环吡啶30、哌啶31和吡唑32。带有自由醇基的甾体衍生物33以高产率生成。
Tristan H. Lambert团队接下来研究了酮类的反应，以生成三代烯烃产品。此外，还发现这个程序与大量复杂的分子兼容，包括含氮的杂环吡啶30、哌啶31和吡唑32。带有自由醇基的甾体衍生物33以高产率生成。接下来，Tristan H. Lambert团队研究了在此反应中使用更多高度取代的烯类（图3）。
为了证明这种方法在某些情况下可以替代Wittig烯化作用，Tristan H. Lambert团队着手合成一种已知的天然产品喹诺酮217A的中间体（图4A）。能够使用油化程序从市售的酮63和不饱和酮64（分两步制备）制备哌啶62。将这种化学反应应用于α-生育酚的合成（图4B），醛65与三烯66发生反应，而醛65可分两步进行。最后，通过醛67的烯化作用制备生物素衍生物。使用烯丙基氯导致了同烯丙基氯68的形成，产率为55%。同时，乙酸烯丙酯产生了产率为45%的加合物69，而2-乙基-1-丁烯的反应产生了产率为72%的三取代的烯70。
总结与展望
醛和酮转化为烯烃是有机化学中的一个基础性转化，然而普通的烯烃化方法的强碱性条件下，由于与敏感功能的不相容性，往往需要浪费和耗时的保护基策略。这里描述的方法提供了一种羰基烯化的策略，由于缺乏强碱性试剂，它具有广泛的官能团容忍度。通过使用烯烃本身作为发油剂，该方法允许使用廉价的和容易获得的材料。此外，与传统的化学方法相比，这种方法产生的废气可以说较少，因为主要的副产品是N2和H2气体。最值得注意的是，电化学和电光催化氧化的串联利用使得本来高度反应的中间产物的生成和销毁得到控制，从而实现了一种普遍适用的有用方法。
文献链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg3026
2023-04-19
2023-04-18
2023-04-17
2023-04-15
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