DOI: S1872-2067(19)63526-6
近日，《催化學(xué)報(bào)》在線發(fā)表了湖南科技學(xué)院何衛(wèi)民團(tuán)隊(duì)在可見(jiàn)光催化領(lǐng)域的最新研究成果。該工作報(bào)道了可見(jiàn)光誘導(dǎo)無(wú)金屬參與喹喔啉酮化合物與醇的氧化脫氫偶聯(lián)反應(yīng)。論文第一作者為：謝龍勇；論文通訊作者為：何衛(wèi)民。喹喔啉酮是許多天然產(chǎn)物的核心結(jié)構(gòu)骨架，廣泛存在于多種具有生物活性的天然產(chǎn)物和藥物分子之中，具有廣泛的生物及藥理活性。喹喔啉酮骨架具有多個(gè)反應(yīng)活性位點(diǎn)，在喹喔啉骨架的不同位點(diǎn)選擇性引入藥效基團(tuán)，合成具有不同生物活性的喹喔啉酮衍生物具有重要的研究?jī)r(jià)值。在過(guò)去幾年，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多個(gè)課題組的努力，一系列的喹喔啉酮衍生物合成方法被報(bào)道出來(lái)。 利用廉價(jià)易得的醇作為烷氧化試劑，空氣作為氧化劑，作者發(fā)展了一種基于可見(jiàn)光誘導(dǎo)氧化脫氫偶聯(lián)反應(yīng)的3-烷氧基喹喔啉酮化合物的綠色合成方法。交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)(CDC)直接通過(guò)兩種不同的X-H 鍵相結(jié)合生成新的化學(xué)鍵, 避免了反應(yīng)底物的預(yù)先官能化, 具有優(yōu)異的原子、步驟經(jīng)濟(jì)性, 已成為現(xiàn)代合成化學(xué)的一種重要的方法?？梢?jiàn)光催化有機(jī)反應(yīng)具有反應(yīng)效率高、條件溫和、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，這些獨(dú)特的性質(zhì)使其在有機(jī)合成領(lǐng)域得到快速發(fā)展?？梢?jiàn)光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移是實(shí)現(xiàn) X-H 鍵直接官能化的有效途徑之一。以廉價(jià)易得的空氣作為氧化劑，可見(jiàn)光誘導(dǎo)的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)不僅具有原子、步驟經(jīng)濟(jì)性高、還具有反應(yīng)條件溫和綠色等優(yōu)點(diǎn), 是綠色有機(jī)合成的研究熱點(diǎn)和前沿。
2018年，河南工業(yè)大學(xué)袁金偉教授等人發(fā)展了過(guò)苯甲酸特丁酯作為氧化劑，氧化亞銅催化喹啉酮和醇的C-H/C-H交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，合成了一系列的3-羥烷基化喹喔啉酮衍生物（圖1a）。2019年，杭州師范大學(xué)章鵬飛教授課題組報(bào)道了雙(三氟乙酰氧基)碘苯促進(jìn)的喹啉酮和氟代醇的C-H/O-H交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)，合成了多種3-烷基化喹喔啉酮化合物（圖1b）。盡管該方法可以高效實(shí)現(xiàn)喹啉酮的選擇性烷氧化反應(yīng)，但需要使用過(guò)量的高碘鹽作為氧化劑，不僅反應(yīng)成本高，還產(chǎn)生了大量的化學(xué)廢棄物。 鑒于喹喔啉酮衍生物在藥物研發(fā)領(lǐng)域的重要性和綠色合成化學(xué)的需求，發(fā)展環(huán)境友好的3-烷基化喹喔啉酮衍生物合成方法具有重要的研究?jī)r(jià)值。作者延續(xù)其課題組在綠色有機(jī)合成方面的研究，發(fā)展了一種綠色高效的可見(jiàn)光誘導(dǎo)喹喔啉酮化合物與醇的C-H/O-H交叉偶聯(lián)反應(yīng)（圖1c）。 作者通過(guò)一系列的條件優(yōu)化得到了該反應(yīng)的最優(yōu)條件：3倍當(dāng)量的脂肪醇作為烷氧化試劑，環(huán)境空氣作為氧化劑，2 mol%的AcrMesClO4作為光敏劑，乙腈作為溶劑，3W藍(lán)色LED作為光源，室溫條件下藍(lán)光照射反應(yīng)12小時(shí)左右。在最優(yōu)反應(yīng)條件下，作者考察了該反應(yīng)的底物適用范圍（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，喹喔啉酮底物的氮原子和芳環(huán)都可以兼容多種取代基。一些重要的官能團(tuán)如烯基、炔基、酯基、鹵素均表現(xiàn)出良好的兼容性，從而為產(chǎn)物的后續(xù)轉(zhuǎn)化提供了更多的可能。醇的適用性研究中發(fā)現(xiàn)，各種脂肪伯醇和脂肪仲醇都能很好的參與反應(yīng)，以中等到優(yōu)秀的產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。醇類(lèi)天然產(chǎn)物，如薄荷醇和冰片也可以較好地進(jìn)行反應(yīng)。 該反應(yīng)可放大至克量級(jí)，例如將喹喔啉酮底物1a的反應(yīng)放大至克量級(jí)時(shí)（8 mmol），以88%的分離收率得到目標(biāo)產(chǎn)物3aa（圖3a）；該反應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值除了體現(xiàn)在上述的克量級(jí)反應(yīng)外，還體現(xiàn)在以廉價(jià)易得的喹喔啉酮為初始原料的一鍋法連續(xù)轉(zhuǎn)化（圖3b）。 作者通過(guò)一系列的機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)，提出了可能的反應(yīng)機(jī)理（圖4）。首先，在可見(jiàn)光照射下，基態(tài)的吖啶光敏劑（A）轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)（B），并進(jìn)一步將喹喔啉酮（1）氧化為喹喔啉酮自由基正離子（C）。醇（2）親核加成到中間體C得到自由基中間體（E），其繼續(xù)被氧氣氧化發(fā)生脫氫芳構(gòu)化得到目標(biāo)產(chǎn)物3-烷氧基喹喔啉酮（3）。 何衛(wèi)民團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種可見(jiàn)光誘導(dǎo)的喹喔啉酮化合物的烷氧基化反應(yīng)。該反應(yīng)避免使用過(guò)渡金屬催化劑、額外的氧化劑和添加劑。在溫和的反應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)了3-烷氧基喹喔啉酮化合物的高效綠色合成，為開(kāi)發(fā)利用喹喔啉酮類(lèi)化合物提供了新的途徑。 雜環(huán)化合物和醇的C(sp2)?H/O?H交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)為制備雜環(huán)醚類(lèi)化合物提供了一種原子和步驟經(jīng)濟(jì)性的方法.??然而,?已經(jīng)報(bào)道的交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)大部分需要使用過(guò)渡金屬催化劑和/或者強(qiáng)氧化劑,?不僅產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題還增加分離成本.??同時(shí),?這些合成方法還存在雜環(huán)化合物和醇的C(sp2)?H/C(sp3)?H交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng),?降低了反應(yīng)的選擇性和收率.喹喔啉-2(1H)-酮是生物活性物質(zhì)和人工藥物的核心骨架結(jié)構(gòu)之一,?合成多樣性官能化的喹喔啉-2(1H)-酮備受關(guān)注. 近期多種C-3官能化喹喔啉-2(1H)-酮的合成方法被報(bào)道,?但是目前沒(méi)有一例通過(guò)無(wú)金屬無(wú)強(qiáng)氧化劑條件下的喹喔啉-2(1H)-酮與醇C(sp2)?H/O?H交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)合成3-烷氧基喹喔啉-2(1H)-酮的相關(guān)工作報(bào)道. 值得一提的是,?利用氧氣作為氧化劑的可見(jiàn)光催化反應(yīng)符合綠色化學(xué)的要求,?在最近幾年中發(fā)展迅速.本文報(bào)道了一種通過(guò)可見(jiàn)光催化的喹喔啉-2(1H)-酮與醇的C(sp2)?H/O?H交叉脫氫偶聯(lián)反應(yīng)合成3-烷氧基喹喔啉-2(1H)-酮化合物的綠色制備方法.??首先通過(guò)對(duì)光催化劑、溶劑等參數(shù)的篩選,?確定了最佳反應(yīng)條件為喹喔啉-2(1H)-酮化合物0.3?mmol,?醇0.9?mmol,?乙腈1.5?mL,?Acr+-MesClO4? 2 mol%,?空氣作為氧化劑,?3?W藍(lán)光作為光源. 在最佳條件下,?含有供電子、吸電子取代基的喹喔啉-2(1H)-酮化合物和含有各種取代基的烷基醇都能很好地進(jìn)行反應(yīng),?得到36種目標(biāo)化合物,?產(chǎn)率70%~94%.??另外,?成功完成了克級(jí)放大實(shí)驗(yàn)和一鍋法串聯(lián)反應(yīng). 機(jī)理研究證明,?該反應(yīng)是喹喔啉-2(1H)-酮化合物在光催化氧化作用下生成自由基正離子,?醇作為親核試劑選擇性進(jìn)攻自由基正離子的C3位,?最后得到目標(biāo)產(chǎn)物.何衛(wèi)民，博士生導(dǎo)師，副教授。2019年湖南省杰出青年基金獲得者，Chin. Chem. Let., Chin. J. Org. Chem., Green Synth. Catal.等期刊青年編委，以通訊作者身份在Green Chem.，Sci. China Chem.等國(guó)際一流期刊上發(fā)表論文72篇，其中影響因子大于7論文22篇，論文他引2800余次，通訊作者H指數(shù)33。課題組鏈接：
http://www.researcherid.com/rid/M-5971-2016Long-Yong Xie, Yi-Shu Liu, Hong-Ru Ding, Shao-Feng Gong, Jia-Xi Tan, Jun-Yi He, Zhong Cao, Wei-Min He *, Chin. J. Catal., 2020, 41: 1168–1173.
