光催化甲苯衍生物、环烷烃与无机亚磺酸盐的位点选择性C(sp^(3))-H砜基化

Photocatalyzed site‐selective C(sp^(3))‒H sulfonylation of toluene derivatives and cycloalkanes with inorganic sulfinates

烃类是最基础的有机分子之一,具有品种丰富、来源广泛、价格低廉等优势,其多样性、选择性转化一直备受合成化学家关注.然而,这些化合物中通常存在多个键能高、极性低、相互间差异性小的C(sp^(3))-H键,因此,实现高效、选择性C-H官能化极具挑战性.近年来,可见光催化广泛应用于有机合成中,与氢转移催化相结合所发展的可见光氢转移光催化策略在C(sp^(3))-H官能化反应中展现了较大的潜力,特别是为化学、位点、立体选择性等问题的解决带来了新机遇.尽管如此,能在激发态有效切断烷烃、环烷烃等中未活化的C(sp^(3))-H键,被用于直接氢转移光催化的催化剂种类很少,主要局限于十钨酸盐、芳香酮衍生物等,因此,发展新型氢转移光催化剂和新反应具有重要意义.近期人们发现,一种共轭多元醌分子(5,7,12,14-并五苯四酮,PT)具有较好的光物理性质、电化学性能及溶解性,可被用作直接氢转移光催化剂.为了深入研究其催化活性及在惰性烃类化合物转化中的应用,本文利用PT与铜盐协同作用,开发了一种高效、高选择性的C(sp^(3))-H砜基化反应,以无机亚磺酸盐作为砜基化试剂,将一系列甲苯衍生物、环烷烃、药物类似物等转化为具有潜在生物活性和重要合成应用的砜类产物.该反应条件温和、操作简单,不需要使用贵金属催化剂和配体,反应原料均已商品化且价格较便宜.通过自由基淬灭与捕获、自由基钟、控制实验、荧光淬灭等机理实验,证明了反应的自由基历程和铜介导的金属有机过程.X射线光电子能谱证明过程中伴随着零价铜的产生,反应仅需要1.2当量的二价铜盐作为氧化剂,为多样性C‒H官能化反应提出了新的策略和路径.此外,该方法还成功应用于药物类似物的后期官能化,展现了良好的官能团兼容性和位点选择性,进一步证明了其应用价值.综上所述,本文以一种商品化的共轭多元醌作为直接氢转移光催化剂,铜盐为氧化剂,无机亚磺酸盐为砜基化试剂,开发了一种经济低毒、温和易操作的甲苯衍生物、环烷烃C(sp^(3))-H官能化新方法,为砜类化合物的合成与开发利用提供了高效、高选择性的途径,也为药物分子后期官能化提供了有效的手段.

The development of practical methods for the direct and selective C(sp^(3))‒H functionalization of hydrocarbons is an attractive topic in synthetic chemistry.Although the radical‐mediated hydrogen atom transfer(HAT)process has shown considerable potential in such reactions,it still faces fundamental problems associated with reactivity and selectivity.Herein,we report a convenient and economic approach to site‐selective C(sp^(3))‒H sulfonylation via photo‐induced HAT catalysis.Employing a conjugated polycyclic quinone as a direct HAT photocatalyst,commercially available inorganic sulfinates as the sulfonylation source,copper triflate as an inexpensive oxidant,a variety of toluene derivatives and cycloalkanes were converted into biologically and synthetically interesting sulfone products under mild conditions.The mechanistic studies reveal that the reaction sequence involves direct HAT‐induced radical formation and a subsequent copper‐mediated organometallic process for the C‒S bond formation.This method offers an appealing opportunity to furnish high value‐added products from abundant hydrocarbon starting materials and inexpensive reagents.