复旦大学施章杰/上海有机所左智伟/西安交大曾荣团队合作成果：光诱导的烷基芳烃氧化反应

苯多酸作为一种重要的有机合成中间体被广泛应用于材料、药物合成以及食品加工等领域（图1a）。其中，对二苯甲酸（TPA）作为聚酯（PET）的单体前体已成为市场需求量最大的产品之一。目前，最为著名的苯多酸合成方法是Amoco process，但是该方法条件相对苛刻，排放物对环境影响大，同时也伴随着一定的安全风险。近年来，一些新的烷基芳烃氧化方法陆续被报道，但这些反应大都需要当量的氧化剂或在基质表面负载昂贵的过渡金属实现氧化反应（图1b）。因此，探索一种绿色、经济、高效的氧化方式不仅具有良好的经济价值而且应用前景广阔。

    近日，复旦大学施章杰课题组、中科院上海有机所左智伟课题组、西安交通大学曾荣课题组联合利用廉价的铈盐做为光催化剂，实现了光诱导的烷基芳烃氧化反应。该反应可以高效的合成苯多酸以及苯甲酸类衍生物，经过简单处理即可得到目标产物（图1c）。

图1  苯多酸及苯甲酸衍生物的应用与合成

        作者通过条件筛选，确定最优的反应条件为：以5 mol% CeCl₃和20 mol% CCl₃CH₂OH为催化剂，氧气为氧化剂，在乙腈溶液中60 ^oC条件下，使用400 nm LED光照。

    随后，他们考察了烷基芳烃底物的适用范围。研究发现，该反应体系可以兼容含有各种供电子和吸电子基团的甲苯类衍生物，并且通过提高光照强度，各种多甲基苯也可以顺利氧化为相应的苯多酸（图2）。

图2  多甲基苯及多取代甲苯底物的氧化

此外，杂环化合物也可以在反应体系中兼容。同时，苄位仲碳和叔碳底物也可以被氧化，最终生成相应的苯甲酸类化合物。在药物分子的结构改造中，该方法同样具有一定的应用价值，塞来昔布分子可以直接被氧化，实现分子的苄位羧基化（图3）。

图3  甲基杂环、仲碳叔碳底物及药物分子的氧化

    为了验证反应机理，作者进行了一系列的控制实验。首先，在反应体系中加入2.0当量的TEMPO，结果反应被完全抑制。通过阻止底物氧化过程，也可以利用TEMPO捕捉到苄基自由基，并分离得到化合物11。随后的¹⁸O₂标记实验证明了产物中氧原子来自与氧气（图4a）。同时，通过原位核磁监测发现，反应可能通过过氧化物中间体，先氧化为醛，进一步氧化为羧酸（图4b）。根据以上证据，他们推测反应机理可能通过如下过程：首先金属铈与醇配位，同时经过LMCT过程产生烷氧自由基。此时，高活性烷氧自由基攫取苄位C(sp³)-H键上的氢原子，得到烷基自由基，之后再与超氧自由基反应，经过质子化生成过氧化物，进一步脱去一分子醇生成醛或酮。最后在光照和加热的促进下，进一步氧化得到目标产物（图4c）。

    另外作者还发现苄位不同取代基不会影响氧化反应的进行。他们尝试了不同杂原子取代的甲苯衍生物的反应情况。在该反应体系下，包括苄氯在内的多种底物均可选择性的氧化成苯甲酸（图4d）。

图4  反应机理研究

相关成果近期在线发表于 Science China Chemistry。博士研究生王长城为论文第一作者，复旦大学施章杰教授、刘烽副研究员、中科院上海有机化学研究所左智伟研究员为通讯作者。详见：Chang-Cheng Wang, Guo-Xiang Zhang, Zhi-Wei Zuo*, Rong Zeng, Dan-Dan Zhai, Feng Liu* & Zhang-Jie Shi*. Photo-induced deep aerobic oxidation of alkyl aromatics. Sci. China Chem., 2021,https://doi.org/10.1007/s11426-021-1032-7.

识别图中二维码或

点击左下角“阅读原文”免费下载全文

【扩展阅读】