理化所提出動力學調控實現光催化烯烴α-酰化反應
軍工資源網 2022年11月11日烯烴的酰化雙官能團化是構筑復雜酮類分子有效的策略之一。酰基自由基對烯烴的反馬氏加成，實現烯烴β選擇性的酰化反應得到了廣泛研究和應用（圖1a）。然而，烯烴α-酰化的雙官能團化面臨挑戰。這是由于原位瞬態的α-烷基自由基和酰基自由基不可避免的自偶聯過程，使其難以選擇性地發生交叉偶聯反應。目前，研究集中在通過過渡金屬捕獲瞬態烷基自由基，或N-雜環卡賓（NHC）催化生成穩態羰自由基，實現烯烴α選擇性酰化反應（圖1b）。
光催化氧化還原反應具有簡單、高效、綠色、溫和等特點。鑒于激發態的光催化劑與不同自由基前體作用，表現出不同的反應動力學，中國科學院院士、中科院理化技術研究所超分子光化學研究中心研究員吳驪珠團隊，通過光催化反應動力學的調控實現烯烴的α-酰化（圖1c）。不同于過渡金屬催化和NHC催化（圖2），動力學上有利的前體1優先被激發態光催化劑單電子氧化，生成的自由基Ⅰ迅速加成到烯烴的β位。通過自由基接力生成的α-烷基自由基Ⅱ隨后被還原態光催化劑（PC·-）還原，得到烷基負離子Ⅲ和基態的PC。而動力學惰性的前體如α-酮酸3，被負離子Ⅲ親核進攻并脫除甲酸實現烯烴的α-酰化反應。
研究表明，激發態的4CzIPN*被CF3SO2Na動態淬滅的程度大于4-氟苯甲酰甲酸，表明具有相似熱力學常數的4-氟苯甲酰甲酸和4CzIPN*之間的單電子轉移相對緩慢。隨著CF3SO2Na的逐漸引入，時間分辨的發光淬滅實驗顯示4CzIPN的三重態壽命顯著下降，而4-氟苯甲酰甲酸只對其產生輕微影響，其動力學淬滅率常數分別為2.1×108 M-1s-1和4.2×106 M-1s-1。因此，4CzIPN*被CF3SO2Na淬滅的速度是4-氟苯甲酰甲酸的50倍，相同濃度下（0.05 M），CF3SO2Na對4CzIPN三重態淬滅的幾率為93%，而4-氟苯甲酰甲酸對其淬滅的幾率僅為2%。
利用反應動力學上的差異，同時引入優勢自由基前體和α-酮酸，該研究團隊首次實現光催化動力學調控的烯烴α-酰化反應，包括氟代甲基酰化、烷基酰化、磺酰基酰化、硫醇酰化，甚至非對稱性1,2-雙酰化等雙官能團化，高效實現了烯烴到復雜酮類化合物的轉化。正如預期，該研究只引入α-酮酸，直接實現了1,4-二酮的構筑。該設計不僅為烯烴的α-酰化提供了全新策略，而且為光催化動力學控制的化學和區域選擇性的烯烴雙官能團化提供了空前的設計理念。
相關研究成果分別以α-Acylation of Alkenes by a Single Photocatalyst、Direct 1,2-Dicarbonylation of Alkenes towards 1,4-Diketones via Photoredox Catalysis為題，發表在Angewandte Chemie International Edition上。研究工作得到國家自然科學基金、科技部、中科院戰略性先導科技專項、中科院前沿科學重點研究項目的支持。
圖1.烯烴酰化雙官能團化
圖2.反應機制
圖3.光催化動力學調控的烯烴α-酰化