【可見光誘導(dǎo)烷基羧酸及其衍生物的脫羧偶聯(lián)反應(yīng)探析（論文）4600字】

可見光誘導(dǎo)烷基羧酸及其衍生物的脫羧偶聯(lián)反應(yīng)分析1引言自然界中普遍存在的物質(zhì)，烷基羧酸也算是榜上有名的，因此它的來源也算是十分廣泛；同時羧基中的羰基和羥基是通過p-π共軛構(gòu)成的，因此它又有著很好的穩(wěn)定性。也正是因為烷基羧酸的這些特點，在合成化學(xué)中利用它作為原料來構(gòu)建各種各類有機(jī)物已經(jīng)是不可或缺的部分。自由基反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)中有著重要地位,可見光誘導(dǎo)的自由基反應(yīng)是化學(xué)學(xué)者的第一選擇。烷基羧酸及其衍生物利用可見光的條件，脫去了一分子二氧化碳而變成了烷基自由基?；瘜W(xué)學(xué)者在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一條由脫羧自由基官能團(tuán)化制備其它有機(jī)分子的化學(xué)合成路線。烷基羧酸形成烷基自由基的反應(yīng)歷程有兩種方案且均是在可見光氧化還原體系下發(fā)生的：其一是烷基羧酸利用堿性條件從而得到一分子二氧化碳和失去一個電子后形成烷基自由基；其二是烷基羧酸與N-羥基鄰苯二甲酰亞胺發(fā)生酯化反應(yīng)生成烷基N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯，隨后在反應(yīng)中失去一分子二氧化碳以及得到一個電子后形成了烷基自由基。（反應(yīng)歷程如圖1）圖1通過對烷基自由基的制備過程敘述后，接下來將從烷基自由基的后續(xù)反應(yīng)進(jìn)行講述，即不飽和烴的加成反應(yīng)、環(huán)化加成反應(yīng)、芳雜環(huán)加成反應(yīng)、自由基偶聯(lián)反應(yīng)等等。2不飽和烴的加成反應(yīng)烷基自由基與不飽和烴的加成反應(yīng)再按照產(chǎn)物的不同可分為烷基化、烯基化、炔基化以及雙官能團(tuán)化四種類型。2.1自由基烷基化在可見光反應(yīng)體系下，烷基羧酸與缺電子烯烴的邁克爾加成反應(yīng)在Michael課程組的全員研究下得到了報道：在可見光反應(yīng)體系下，銥催化劑變成有著強(qiáng)氧化性的激發(fā)態(tài)銥催化劑，環(huán)己基羧酸經(jīng)過單電子轉(zhuǎn)移后變成了環(huán)己基羧酸自由基，接著再與缺電子烯烴發(fā)生加成反應(yīng)生成了新的自由基物種1，最后自由基物種1在單電子還原體系下生成了1,4-加成產(chǎn)物。總的來說，就是在可見光氧化還原體系下，環(huán)己基羧酸與缺電子烯烴在銥催化劑的作用下生成了1,4-加成產(chǎn)物（反應(yīng)歷程見圖2）。也正是因為Michael課程組的報道，后續(xù)人們通過三步法來制取藥物分子普瑞巴林（pregabalin）也是利用了這種新型的脫羧加成反應(yīng)。這一加成反應(yīng)方法同時也為其他課程組提供了思路：芐基自由基與缺電子烯烴的加成反應(yīng)在Nishibayashi課程組的努力完成了；而氨基酸的一級二級氨甲基自由基和不飽和羰基化合物的加成反應(yīng)也被Ruepling課程組提上了日程；除此之外，非金屬吖啶鹽類催化劑的脫羧反應(yīng)也在Gonzalez-Gomez和他的同伴Koike的合作下有所突破。圖22.2自由基烯基化烯基化產(chǎn)物是通過讓烯烴發(fā)生加成反應(yīng)，再經(jīng)過氧化反應(yīng)最終得到的。這一過程也就是自由基烯基化。經(jīng)過MacMillan課程組的報道，我們知道該反應(yīng)的歷程：α-氨基酸在可見光氧化還原體系下發(fā)生脫羧反應(yīng)生成了α-氨基酸甲基自由基，隨后該自由基與烯基砜類化合物發(fā)生反應(yīng)生成了烯丙胺化合物；同時在自由基與烯基砜類化合物反應(yīng)中所脫離的芳基砜自由基將前一過程中所需的催化劑Ir（Ⅱ）氧化為Ir（Ⅲ），使得整個反應(yīng)歷程得以實現(xiàn)?？偟膩碚f也就是在存在可見光的情況下，α-氨基酸與烯基砜類化合物發(fā)生了脫羧烯基化反應(yīng)，進(jìn)一步生成烯丙胺化合物（反應(yīng)歷程見圖3）。這一反應(yīng)機(jī)理同時也啟發(fā)了化學(xué)科研者在天然產(chǎn)物和藥物分子合成中的想法。圖32.3自由基炔基化自由基炔基化反應(yīng)如同自由基烯基化反應(yīng)，即對炔烴進(jìn)行加成反應(yīng)隨后再發(fā)生氧化反應(yīng)得到炔基化產(chǎn)物。該反應(yīng)是可見光氧化還原體系下，烷基羧酸與炔基高碘化合物發(fā)生反應(yīng)從而生成兩種不同的產(chǎn)物，在反應(yīng)中的催化劑Ir在可見光的條件下變成激發(fā)態(tài)Ir，激發(fā)態(tài)Ir氧化烷基羧酸時，使烷基羧酸因失去二氧化碳分子而變成烷基自由基，而這脫離的一分子的二氧化碳也是反應(yīng)產(chǎn)物不同的原因。當(dāng)不考慮一分子二氧化碳分子的存在時，反應(yīng)產(chǎn)物A則為烷基自由基發(fā)生加成反應(yīng)生成目標(biāo)內(nèi)炔化合物；當(dāng)考慮一分子二氧化碳分子存在時，反應(yīng)產(chǎn)物B為羰基炔基化合物（反應(yīng)歷程見圖4）。這一反應(yīng)看似復(fù)雜，但是在反應(yīng)條件溫和的條件下，會有較高的產(chǎn)率。圖42.4雙官能團(tuán)化雙官能團(tuán)化合物可以通過烯烴的加成反應(yīng)從而引入兩個官能團(tuán)生成。雙官能團(tuán)化合物化學(xué)性質(zhì)不同于單官能團(tuán)化合物的化學(xué)性質(zhì)，但是雙官能團(tuán)化合物也有著單官能團(tuán)化合物的典型性質(zhì)；同時也是因為兩個單官能團(tuán)的相互影響，單官能團(tuán)化合物所沒有的化學(xué)性質(zhì)在雙官能化合物上可以表現(xiàn)。Glorius課程組從可見光誘導(dǎo)苯乙烯類化合物的烷氧基化反應(yīng)進(jìn)一步研究了雙官能團(tuán)化反應(yīng)：水/醇與N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯反應(yīng)生成氫鍵絡(luò)合物，氫鍵絡(luò)合物再通過單電子轉(zhuǎn)移變成新化合物2，隨后再失去一分子二氧化碳分子及醇生成烷基自由基和鄰苯二甲亞酰離子；烷基自由基與烯烴因發(fā)生加成反應(yīng)從而生成自由基化合物3，化合物3再通過單電子轉(zhuǎn)移生成碳正離子4，而碳正離子4發(fā)生親和反應(yīng)生成雙官能團(tuán)化合物（醇或醚化合物）。即N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯與烯烴在可見光氧化還原體系下通過雙官能團(tuán)化生成醇或醚化合物（反應(yīng)歷程見圖5）。圖53加成環(huán)化反應(yīng)有機(jī)合成反應(yīng)中能夠有效的提高反應(yīng)效率的方法之一為自由基的加成環(huán)化反應(yīng)。在Aggarwal課程組所發(fā)表功能化環(huán)丙烷化合物的合成的報道中正是利用了加成環(huán)化反應(yīng)。這一化合物的合成是在可見光氧化還原體系下，烷基羧酸與缺電子烯烴通過脫羧自由基加成反應(yīng)脫去了二氧化碳分子、氫離子以及一個電子，從而生成自由基化合物5；接著發(fā)生還原反應(yīng)變成碳負(fù)離子中間體；最后脫去氯離子得到了環(huán)丙烷化合物（反應(yīng)歷程見圖6）。這一反應(yīng)由于在可見光的體系下，有著很好的官能團(tuán)容忍度，從而為合成各類環(huán)丙烷化合物分子提供了一條高效率路線。圖6環(huán)化加成反應(yīng)除了在合成簡單的環(huán)化物，還可以合成各類雜環(huán)化合物。Jamison課程組就合成雜環(huán)化合物發(fā)表了報道：在可見光氧化還原體系下，1-(2-異氰苯基)-1H吡咯、烷基羧酸及二乙酸碘苯反應(yīng)形成了亞氨基中間體，接著經(jīng)過均溶性芳香族取代生成吡咯并【1,2-α】喹喔啉衍生物（反應(yīng)歷程見圖7）。圖7其外，孫培培等課程組從另一反應(yīng)報道了環(huán)化加成反應(yīng)合成雜環(huán)化合物——烷基羧酸在有機(jī)染料和過硫酸銨氧化還原體系下變成烷基自由基，隨后該自由基與芳基丙烯酰胺衍生物生成亞氨自由基中間體是是因為發(fā)生了串聯(lián)環(huán)化反應(yīng)，接著亞氨自由基同樣發(fā)生了均溶性芳香族取代從而生成烷基菲啶化合物（反應(yīng)歷程見圖8）。圖84芳雜環(huán)加成反應(yīng)Glorius課程組就芳雜環(huán)加成反應(yīng)進(jìn)行分析——芳雜環(huán)與烷基羧酸發(fā)生脫羧烷基化反應(yīng)。該反應(yīng)為芳雜環(huán)與烷基羧酸在藍(lán)色光照照射下以及銥催化劑的氧化還原體系下，生成產(chǎn)物2-環(huán)戊基-4-甲基喹啉，具體的反應(yīng)歷程如：在藍(lán)色光照照射下，Ir（Ⅲ）變成激發(fā)態(tài)*Ir（Ⅲ）,繼而在單電子轉(zhuǎn)移下,激發(fā)態(tài)*Ir（Ⅲ）變成Ir（Ⅳ），同時過二硫酸根離子變成了硫酸根負(fù)離子自由基；環(huán)己羧酸脫去一分子二氧化碳分子且氫離子與硫酸根負(fù)離子自由基結(jié)合后變成環(huán)己基自由基，接著環(huán)己基自由基與4-甲基喹啉反應(yīng)形成中間體5，中間體5在單電子轉(zhuǎn)移的條件下失去氫離子及一分子電子形成2-環(huán)戊基-4-甲基喹啉（反應(yīng)歷程如圖9）。圖95自由基偶聯(lián)反應(yīng)為進(jìn)一步了解自由基偶聯(lián)反應(yīng)，MacMillan課程組以α-氨基酸和苯腈為原料進(jìn)行研究：α-氨基酸和苯腈在可見光氧化還原體系下，前者變成烷基自由基，后者則變成芳烴自由基，同時脫去二氧化碳分子生成芐胺（反應(yīng)歷程見圖10）。圖10翁江課程組從另一種脫羧化反應(yīng)來進(jìn)一步講述自由基偶聯(lián)反應(yīng)——可見光促進(jìn)的脫羧芐基化反應(yīng)，而該反應(yīng)流程:在以藍(lán)光為光催化劑的條件下，亞胺還原為亞胺自由基離子，而苯乙酸氧化為芐基自由基；接著兩個自由基經(jīng)過自由基偶合并且加上一分子氫離子生成偶聯(lián)化合物A（反應(yīng)歷程見圖11）。圖116M-R交叉偶聯(lián)反應(yīng)交叉偶聯(lián)反應(yīng)是以過渡金屬配合物為催化劑，使鹵代烴（RX）與非過渡金屬有機(jī)物（R'M'）反應(yīng)從而生成新的碳碳鍵。MacMillan課程組再次研究M-R交叉偶聯(lián)反應(yīng)并發(fā)表了報道，以鎳與可見光協(xié)同催化體系為條件，以α-氨基酸與芳基鹵化物為原料進(jìn)行研究：銥催化劑在可見光氧化還原體系下變成激發(fā)態(tài)的銥催化劑，而α-氨基酸在該催化劑的條件下發(fā)生脫羧反應(yīng)變成烷基自由基；另一邊芳基鹵化物與Ni（0）氧化反應(yīng)生成Ni（Ⅱ）中間體，Ni（Ⅱ）中間體再與烷基自由基發(fā)生氧化反應(yīng)生成Ni（Ⅲ）化合物，最后Ni（Ⅲ）化合物發(fā)生還原反應(yīng)生成Ni（Ⅰ）化合物以及目標(biāo)偶聯(lián)化合物A。（反應(yīng)歷程見圖12）圖12此外，MacMillan課程組就銅與可見光協(xié)同催化的條件，研究了烷基羧酸與1-（三氟甲基）-1,2-苯磺酰-3（1H）-酮反應(yīng)生成的的三氟甲基化產(chǎn)物。（反應(yīng)歷程見圖13）圖13付華課程組同樣在銅與可見光協(xié)同催化的條件下，研究了末端炔烴與α-氨基酸衍生物反應(yīng)生成的丙炔胺化合物。（反應(yīng)歷程見圖14）圖147其他反應(yīng)在有機(jī)合成反應(yīng)中，烷基胺化合物和烷基硼化合物都是重要的合成產(chǎn)物。Tunge課程組研究了在可見光氧化還原體系下烷基羧酸與偶氮二羧酸異丙酯反應(yīng)生成烷基胺化合物。（反應(yīng)歷程見圖15）圖15Leonori課程組則研究了烷基羧酸與亞硝基苯在可見光氧化還原體系下反應(yīng)生成烷基芳基羥胺化合物。（反應(yīng)歷程見圖16）圖16李鵬飛課程組在可見光氧化還原體系下研究了以硼酸與N-羥基鄰苯二甲酰亞胺酯為原料，同時以銥為光催化劑促進(jìn)反應(yīng)，從而生成目標(biāo)合成物——烷基硼化合物（三氟硼酸鹽和烷基硼酸酯）；烷基硼酸酯的生成也是可以不需要銥等其他來作為光催化劑來促進(jìn)反應(yīng)，而這一反應(yīng)在Aggarwal課程組的報道中有所研究。（反應(yīng)歷程見圖17）圖178結(jié)束語本篇文章主要介紹了可見光誘導(dǎo)烷基羧酸及其衍生物的脫羧偶聯(lián)反應(yīng)，再從烷基羧酸自由基的后續(xù)反應(yīng)進(jìn)行分類，歸納總結(jié)了烯烴/炔烴加成、加成環(huán)化、芳雜環(huán)加成、自由基偶聯(lián)、有機(jī)金屬（M-R）交叉偶聯(lián)及其其他反應(yīng)。這些反應(yīng)也是在有機(jī)合成中承擔(dān)著重要的角色。通過這些反應(yīng)，我們了解到可見光反應(yīng)體系具有眾多優(yōu)點，例如反應(yīng)活性高，官能團(tuán)容忍性好。上述反應(yīng)的歸納總結(jié)，還讓我們了解到各類碳-碳和碳-雜鍵的高效率構(gòu)建。這些反應(yīng)因為是在可見光的條件下進(jìn)行的，極大限度地實現(xiàn)了綠色環(huán)保指標(biāo)，為保護(hù)環(huán)境默默奉獻(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)[1]Lunbderg,H.;Tinnis,F.;Selander,N.;Adolfsson,H.Chem.Soc.Rev.2014,43,2714.[2]Morrill,L.C.;Smith,A.D.Chem.Soc.Rev.2014,43,6214.[3]Straathof,A.J.J.Chem.Rev.2014,114,1871.[4](1)Sivaguru,P.;Wang,Z.;Zanoni,G.;Bi,X.Chem.Soc.Rev.2019,48,2615.(2)Wang,F.;Chen,P.;Liu,G.S.Acc.Chem.Res.2018,51,2036.(3)Yi,H..;Zhang,G.;Wang,H.;Huang,Z.;Wang,J.;Singh,A.;Lei,A.Chem.Rev.2017,117,9016.(4)Zhao,Y.;Liu,Z.Chin.J.Chem.2018,36,455.(5)Tan,F.;Yin,G.Chin.J.Chem.2018,36,545.(6)Cao,Y.;He,X.;Wang,N.;Li,H.;He,L.-N.Chin.J.Chem.2018,36,644.[5](1)Wang,H.;Wu,P.;Zhao,X.;Zeng,J.;Wan,Q.ActaChim.Sinica.2019,77,231(inChinese).(2)Chen,Y.;Chang,L.;Zuo,Z.ActaChim.Sinica.2019,77,794(inChinese).(3)Ye,S.;Wu,J.ActaChim.Sinica.2019,77,814(inChinese).(4)Zhang,H.-H.;Yu,S.ActaChim.Sinica.2019,77,832(inChinese).(5)Ren,L.;Ran,M.;He,J.;Qian,Y.;Yao,Q.Chin.J.Org.Chem.2019,39,1583(inChinese).[6](1)Zhao,B.;Tan,H.;Chen,C.;Jiao,N.;Shi,Z.Chin.J.Chem.2018,36,995.(2)Yuan,Y.;Dong,W.;Gao,X.;Xie,X.;Curran,D.;Zhang,Z.Chin.J.Chem.2018,36,1035.(3)Li,C.;Qi,Z.;Yang,Q.;Qiang,X.-Y.;Yang,S.-D.Chin.J.Chem.2018,36,1052.(4)An,X.;Zhang,H.;Xu,Q.;Yu,L.;Yu,S.Chin.J.Chem.2018,36,1147.(5)Xu,W.;Dai,X.;Xu,H.;Weng,J.Chin.J.Org.Chem.2018,38,2807(inChinese).(6)Ruan,L;Chen,C.;Zhang,X.;Sun,J.Chin.J.Org.Chem.2018,38,3155.(inChinese).[7]Sun,A.;C.;McAtee,R.C.;McClain,E.J.;Stephenson,C.R.J.Synthesis.2019,51,1063.[8]Murarka,S.Adv.Synth.Catal.2018,360,1735.[9]Xuan,J.;Zhang,Z.G.;Xiao,W.J.Angew.Chem.;Int.Ed.2015,54,15632.[10]Chu,L.;Ohta,C.;Zuo,Z.;MacMillan,D.W.C.J.Am.Chem.Soc.2016,136,10886.[11]Miyake,Y.;Nakajima,K.;Nishibayashi,Y.Chem.Commun.2013,29.7854.[12]Millet,A.;Lefebvre,Q.;Rueping,M.Chem.-Eur.J.2016,22,13464.[13]Ramirez,N.;Gonzalez–Gomez,J.Eur.J.Org.Chem.2017,2154.[14]Chinzei,T.;Miyazawa,K.;Yasu,Y.;Koike,M.RSCAdv.2015,5,21297.[15]Nodle,A.;MacMillan,D.W.C.J.Am.Chem.Soc.2014,136,11602.[16]Zhou,Q.;Guo,W.;Ding,W.;Wu,X.;Chen,X.;Lu,L.;Xiao,W.Angew.Chem.;Int.Ed.2015,54,1196.[17]Tlahuext–Aca,A.;Garza–Sanchez,R.;Glorius,F.Angew.Chem.;Int.Ed.2017,56,3708.[18]Shu,C.;Mega,R.S.;Andreassen,B.J.;NoblemA.;Aggarwal,V.K.Angew.Chem.;Int.Ed.2018,57,15430.[19]He,Z.;Bae,M.;Wu,J.;Jamison,T.F.Angew.Chem.;Int.Ed.2014,53,14451.[20]Yu,Y.;Yuan,W.;Huang,H.;Cai,Z.;Liu,P.;Sun,P.J.Org.Chem.2018,83,1654.[21]Garza–Sanchez,A.;Tlahuext–Aca,A.;Glorius,F.ACSCatal.2017,56,12336.[22]Zuo,Z.;MacMillian,D.W.C.J.Am.Che