氯自由基介导的光催化芳基醚C(sp^(3))−H氧化生成酯

饱和的碳氢键氧化是合成化学和化学工业中一类重要的化学反应.然而,饱和C(sp^(3))−H键离解能(BDEs)较高、极性较弱,导致了底物难以活化和催化转化效率较低等问题.在过去的几十年,C(sp^(3))−H键的定向活化转化取得了重要的进展.其中,关于C(sp^(3))−H键催化氧化的研究主要涉及一些键能低的、预活化的C−H键,包括苄基型、亚甲基型、脂肪族X−CH_(2)(X=O,N)和甲苯等,含有未活化C(sp^(3))−H键的复杂化合物的选择性氧化仍具有挑战性.例如,芳基醚C(sp^(3))−H键功能化通常采用计量的过氧化物氧化剂,或者通过单电子氧化和碱促进的去质子化进一步构建C−C/C−N键,产物选择性较低,也带来了一些不利的环境影响.因此,有必要开发高效、温和的芳基醚C(sp^(3))−H键选择氧化方法,并将其应用于有机合成和药物开发.近年来,光催化C(sp^(3))−H键氧化因其操作简便、氧化还原中性等优点,已发展成为一种有用且多样的催化研究工具.本文发展了一种利用氧气作为氧化剂,在可见光驱动下选择性地将芳基醚C(sp^(3))−H键氧化成为甲酸苯酯类产物的新方法.使用Mes-10-phenyl-Acr^(+)−BF_(4)^(-)光催化剂,高效活化多种氯源(如盐酸、无机氯盐和有机氯化物)得到氯自由基,由于其具有较高的氧化能力(+2.03 V vs.SCE)和对氢原子的亲和力,能够通过氢原子转移过程活化芳基醚C(sp^(3))−键,攫取氢自由基得到相应的烷基碳自由基(•CH_(2)OPh)中间体,进一步被分子氧选择氧化得到酯类目标产物.研究结果表明,多种链状芳基醚和不同取代(如给电子基和吸电子基)芳基醚均可发生氧化反应,高收率地合成了一系列官能团丰富的甲酸苯酯类化合物.本文方法具有反应条件温和、操作简单、官能团耐受性好以及可规模化放大等优点,并且少量的水对反应没有明显影响.机理实验研究结果表明,芳基醚C(sp^(3))−H键的断裂是反应过程的决速步骤.紫外可见吸收光谱结果表明,氯离子与催化剂之间的相互作用强于底物,并且自由基捕获实验证实反应体系中存在氯自由基和烷基碳自由基物种,表明反应经历自由基路径.此外,电子顺磁共振测试结果表明,反应过程中存在单线态氧物种,可能是激发态的光催化剂直接与氧气发生能量转移得到;同位素实验(18O)揭示了甲酸苯酯类化合物氧的来源.综上,本文实现了温和条件下光催化芳基醚C(sp^(3))−H键选择氧化反应,高收率合成了一系列甲酸苯酯类化合物.该方法避免了化学计量的过氧化物和碱等添加剂的使用以及底物的过度氧化,阐明了催化反应机制,为其他醚类化合物的C(sp^(3))−H键氧化功能化提供了新思路,为后续化学合成和药物开发提供了参考和启示.

银催化苄基C(sp^(3))—H键与炔丙基C(sp^(3))—H键的位点选择性胺化

探讨了一种合成环状氨基磺酸酯的新方法。采用AgClO4/三(2-吡啶基甲基)胺催化体系,催化苄基C(sp^(3))—H键与炔丙基C(sp^(3))—H键的分子内位点选择性胺化反应,以89%收率和9.2∶1位点选择性得到了环状氨基磺酸酯。反应具有条件温和、官能团耐受性好、原子经济性和步骤经济性高等优点,为碳氮的构建提供了一种选择策略。

Simultaneously Enhanced Activity and Selectivity for C(sp^(3))-H Bond Oxidation Under Visible Light by Nitrogen Doping

Selective oxidation of saturated C(sp^(3))-H bonds in hydrocarbon to target chemicals under mild conditions remains a signifi-cant but challenging task because of the chemical inertness and high dissociation energy of C(sp^(3))-H bonds.Semiconductor photocatalysis can induce the generation of holes and oxidative radicals,off ering an alternative way toward selective oxidation of hydrocarbons under ambient conditions.Herein,we constructed N-doped TiO_(2) nanotubes(N-TNTs)that exhibited remark-able activity and selectivity for toluene oxidation under visible light,delivering the conversion of toluene and selectivity of benzaldehyde of 32% and>99%,respectively.Further mechanistic studies demonstrated that the incorporation of nitrogen induced the generation of N-doping level above the O 2p valance band,directly contributing to the visible-light response of TiO_(2).Furthermore,hydroxyl radicals generated by photogenerated holes at the orbit of O 2p were found to be unselective for the oxidation of toluene,aff ording both benzaldehyde and benzoic acid.The incorporation of nitrogen was able to inhibit the generation of hydroxyl radicals,terminating the formation of benzoic acid.

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

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.

Efficient Photolytic Halogenation and Oxidation of Unactivated Alkyl sp^(3) C—H Bonds with Iodine(III)

A metal-free,green,and sustainable functionalization of unactivated alkyl sp^(3) C—H bonds is reported using iodine(III)as a feasible dehydrogenation agent under visible light or KBr,and alkyl chlorides,bromides,alcohols,and ketones could be constructed by addition of different coupling reagents.Cheap and safe iodobenzene diacetate was used to form a radical to activate the alkyl sp^(3) C—H bond in a highly efficient manner,which can construct different alkylation products by adding corresponding coupling reagents.

Electro-reductive carboxylation of acyclic C(sp^(3))–C(sp^(3))bonds in aromatic hydrocarbons with CO_(2)

Despite the recent advances in the selective functionalization of C–C bonds in specific substrates,cleavage and functionalization of C–C bonds in acyclic substrates,such as ethane derivatives,remains challenging.In contrast to the well-developed functionalization of one carbon fragment after C–C bond cleavage,herein,we report a novel electro-reductive carboxylation of C(sp^(3))–C(sp^(3))bond in multi-aryl ethanes with carbon dioxide(CO_(2))by utilizing both carbon fragments.Thus,this reaction exhibits an atom-,step-economic approach for the synthesis of carboxylic acids,fulfilling principal aspirations of organic synthesis.Moreover,this method features mild reaction conditions,broad substrate scope,and good functional group tolerance.Symmetric and asymmetric substrates bearing primary,secondary,or tertiary C(sp^(3))–C(sp^(3))bonds are all amenable to this strategy,enabling one or two structurally different carboxylic acids to be facilely constructed at the same time.Mechanistic investigations indicate that carbanions might be the key intermediates in this reaction,which could be captured by CO_(2)efficiently.

甘氨酸衍生物C(sp^3)―H官能团化反应在喹啉类化合物合成中的应用

C(sp^3)―H键官能团化反应被认为是构建C―C键的最直接和高效的合成方法。近年来,通过甘氨酸衍生物C(sp^3)―H官能团化反应来合成喹啉类化合物的研究逐渐引起研究者的广泛关注。本文简要介绍了甘氨酸衍生物C(sp^3)―H官能团化反应研究现状,并总结了不同催化体系下此类反应在喹啉衍生物合成中的应用,目的在于通过对前沿科研内容的介绍,开拓大学生的知识视野,激发他们对于科学探索的兴趣。

Electricity-driven enantioselective cross-dehydrogenative coupling of two C(sp^(3))-H bonds enabled by organocatalysis

An efficient and scalable electrochemical asymmetric protocol with metal-free catalysts and even without additional oxidants for the cross-dehydrogenative coupling reaction(CDC)of two C(sp^(3))-H bonds is reported.A series of aldehydes including natural products and various substrates containing C(sp^(3))-H bonds including xanthenes,acridines,cycloheptatrienes and even diarylmethane have been shown to undergo asymmetric CDC to afford a series of carbon-carbon bond coupling products with up to 94%yield and 98%ee.Mechanistic studies such as radical clock experiment suggest that the reaction proceeds via nucleophilic attack by enamine under electrochemical conditions.

电化学促进未活化C(sp^(3))—H官能团化研究进展

有机电合成以无痕电子代替传统的化学氧化剂或还原剂,具有绿色易放大等优势.未活化C(sp^(3))—H键的官能团化可以将目标官能团直接引入分子中进行修饰,避免预官能团化,兼具原子经济性和步骤经济性.随着有机电合成发展的日益成熟,电化学促进未活化C(sp^(3))—H官能团化成为了有机合成的研究热点之一.根据官能团类型对反应进行分类,总结了近年来涉及未活化C(sp^(3))—H官能化的研究成果,重点分析了反应优势、底物特点以及反应机理,最后展望了面临的挑战及未来的发展趋势.

可见光促进的镍催化苄位C—H胺化反应研究

苄胺类化合物是一类重要的有机结构单元,广泛存在于生物活性分子和天然产物中。苄胺基团的引入可以有效的增加分子的生物活性,加快生物活性分子的发现过程,并可以进一步促进对天然产物衍生候选药物的探索。通过光和过渡金属双催化可以高效地实现苄位C—H键的直接胺化,从而合成一系列苄基磺酰胺类化合物。该方法具有较好的位点及化学选择性、适用范围广、普适性好,为苄胺类化合物的合成提供了一种绿色高效的方法。

苄位C-H键选择性氧化研究进展

苄位C-H键选择性氧化是有机合成中一类重要的反应,其氧化产物广泛应用于化学合成的各个领域。传统的苄位C-H键氧化存在选择性差、转化率低、副产物多而杂、三废污染严重等缺点。随着化学工业不断进步,新的苄位C-H键选择性氧化的氧化方法和催化剂不断涌现。本文针对苄位C-H键选择性氧化的氧化方法进行综述。

3-芳基取代脯氨酸的合成

本文以脯氨酸为原料,通过在脯氨酸上引入导向基团和保护基团,实现脯氨酸3-位的碳氢键活化芳基化反应,从而制备3-芳基取代的脯氨酸衍生物。而后在碱和乙醇的作用下实现导向基团和保护基团的一步脱除,得到目标产物——3-芳基取代脯氨酸。整个合成路线只需要一次性合成脯氨酸底物即可得到一系列3-芳基取代脯氨酸衍生物,为3-芳基取代脯氨酸化合物的合成提供了一种简便快捷的有机合成新方法。此外,该合成路线的发现为进一步探索研究3-芳基取代脯氨酸的生物活性奠定了基础。

Multipurpose sulfoximine-mediated radicalγ-heteroarylation of unactivated C(sp^(3))–H bonds

A conceptually novel,trifunctional sulfoximine-mediatedγ-functionalization of unactivated C(sp^(3))–H bonds has been achieved.The reaction is initiated by the photo-induced homolytic cleavage of an N–S bond in the absence of photosensitizer,and proceeds sequentially through a cascade of 1,5-hydrogen atom transfer,1,4-functional group migration,desulfoximination and a Minisci reaction.A major feature of this approach is the use of sulfoximine as a traceless directing group.Other positive properties include mild conditions,simple operation,exclusive site-selectivity,high product diversity and the avoidance of additional photosensitizers.The protocol provides a new reaction mode for HAT-induced C(sp^(3))–H functionalization,and allows a much broader chemical space for sulfoximine studies.

喹啉酮C-3位直接官能团化研究进展

C-3位取代的喹啉酮是一类重要的杂环化合物,在材料和医药等方面具有较为广泛的应用。通过C-H直接官能团化来构建3-喹啉酮衍生物是最为简便和有效的方法,引起了人们极大的关注。近年来,在金属或非金属催化下一系列高效、绿色的合成3-喹啉酮衍生物的方法已经被实现。本文按照不同的官能团化反应类型进行分类,综述了3-喹啉酮衍生物合成的研究进展。

锰催化苄基C—H键氟化反应机理的理论研究

采用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT),对锰催化剂Mn^(III)(salene)F作用下苄基C—H键氟化反应的机理进行了深入的理论研究。对该反应中涉及到的重要中间体和过渡态的能量、Mulliken电荷分布、前线分子轨道等进行了分析。计算结果表明采用[Mn^(IV)(OH)(salene)F]和[Mn^(IV)(salene)F_(2)]为催化剂催化苄基C—H键氟化反应所需的能垒分别为11.5 kcal·mol^(-1)和7.6 kcal·mol^(-1)。可见采用双氟催化剂[Mn^(IV)(salene)F_(2)],氟化反应的能垒较低,更有利于苄基C—H键的氟化。通过轨道分析,给出了反应过程中详细的电子转移情况,从本质上分析了苄基氟化反应的机理。研究表明中心金属上的氧原子可以获得和失去电子,在C—H活化过程中起到传递电子的作用。在电子转移过程中,Mn原子是最终的电子接受体。以上结果很好地解释了实验现象,为进一步研究金属催化C—H键氟化反应提供理论支持。

苄基位C—H键胺基化研究进展

C—H键的直接官能化是近年来有机化学的热门研究领域,具有合成步骤短、原子经济性高等优势,符合绿色化学和可持续发展要求。其中苄基位C—H键直接胺化为研究热点之一。本文从氮源、立体选择性和区域选择性等3个方面,对该领域近5年研究情况进行了综述,突出其在催化方式、反应机理、反应条件、底物、产率、选择性等方面的创新和优势,并对今后该领域的发展方向进行了展望。

铜催化环状烯烃烯丙位C(sp^(3))—H磺酰化反应研究

发展了一种温和的铜催化烯丙位C(sp^(3))—H直接高效磺酰化方法,以简单环状烯烃和亚磺酸钠为反应原料,以中等至良好的收率合成了一系列烯丙基砜衍生物.机理研究表明,该反应可能经历了自由基中间体.

导向基辅助的过渡金属催化C(sp^(3))—H键氮宾插入反应研究进展

过渡金属催化C(sp^(3))—H键活化形成碳-氮键的反应一直是具有挑战性且热门的研究领域.过渡金属催化的C(sp^(3))—H胺化策略为形成C—N键提供了更为直接高效的方式.随着碳-氢键活化领域的蓬勃发展,人们发展出了丰富多样的导向基和过渡金属催化体系,为通过内轨机制实现C(sp^(3))—H胺化提供了有效工具.近年来,导向基辅助的C(sp^(3))—H键胺化反应取得了重要进展,许多基于不同过渡金属的催化体系和廉价高效的胺化试剂得以开发.综述了近十年来在导向基团辅助下,过渡金属催化C(sp^(3))—H氮宾插入反应的研究进展.

基于羧酸衍生物远程γ-C(sp^(3))–H键官能团化研究进展

碳氢键选择性活化是化学领域中最基本和最具挑战性的问题之一,在合成各种生物活性物质中具有重要的作用.羧酸及其衍生物是最易获得的原料之一.通常羧酸的α-和β-C(sp^(3))–H键官能化较为容易,而γ-和δ-C(sp^(3))–H因距离较远则难以官能化.因此,发展简便、高效的方法实现羧酸及其衍生物远程C(sp^(3))–H键官能团化成为近年研究热点之一.本文根据不同的反应分类,综述了近些年在不同催化条件下基于羧酸衍生物的远程γ-C(sp^(3))–H键官能团化反应研究进展,详细讨论了反应底物普适性、反应机理和应用,并对该领域的发展前景和局限性进行了总结.

C(sp^3)–H bond functionalization of non-cyclic ethers by decarboxylative oxidative coupling with α,β-unsaturated carboxylic acids

A copper-catalyzed decarboxylative oxidative coupling of α,β-unsaturated carboxylic acids with non-cyclic ethers is developed.This method provides a new approach for C(sp^3)–H bond functionalization of non-cyclic ethers. Mechanism study shows the reaction involves a radical process.