氧化異官能化反應(yīng)是烯烴和雜原子親核試劑轉(zhuǎn)化為復(fù)雜飽和雜環(huán)的最有吸引力的方法之一。然而，最先進的過渡金屬催化氧化異官能團化的方法通常僅限于無阻礙的烯烴，不同的親核伙伴通常需要相當(dāng)不同的反應(yīng)條件。在這里，作者證明了Cu(II)介導(dǎo)的自由基?極性交叉允許大體積的三取代和四取代烯烴與多種親核配對進行高效和非常溫和的光催化氧化異官能化反應(yīng)。此外，作者還證明了這種轉(zhuǎn)化的廣泛范圍來自于光催化烯烴的活化，從而補充了現(xiàn)有的過渡金屬催化的氧化異官能化方法。更廣泛地說，這些結(jié)果進一步表明，Cu(II)鹽是光氧化還原應(yīng)用的理想終端氧化劑，光催化底物活化和Cu(II)介導(dǎo)的自由基氧化相結(jié)合可以解決催化氧化化學(xué)中的長期挑戰(zhàn)。
與氧化還原中性的烯烴加氫功能化反應(yīng)相比，氧化烯烴異官能化保留了烯烴官能化功能，這對進一步的合成研究很有價值。最先進的方法是Pd(II)催化的過程，可以通過兩條機械上不同的路徑中的任何一條進行(方案1)：同核配位涉及烯烴在Pd?雜原子鍵上的遷移插入，而反核配位涉及雜原子親核劑對Pd(II)配位的烯烴的攻擊。然而，這些機制的細節(jié)產(chǎn)生了幾個值得注意的限制。首先，這兩種機械流形都依賴于烯烴與Pd(II)中心的配位。因此，除了少數(shù)高度專業(yè)化的情況外，配位弱的高取代烯烴在所有情況下都是較差的反應(yīng)伙伴。第二，底物結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件的相對細微變化可能會改變操作機理途徑，需要重新優(yōu)化具有不同金屬結(jié)合傾向的雜原子親核試劑的反應(yīng)條件。因此，識別具有不同雜核性的空間受阻烯烴氧化官能化的條件仍然是一個未解決的挑戰(zhàn)，Pd(II)催化似乎不能很好地解決這一問題。
作者提出了一種新的銅使能光氧化還原異官能化機理(方案2)。MesAcrPh+的光激發(fā)提供了一個高度氧化的激發(fā)態(tài)MesAcrPh+*(*E1/2red=+2.12V vs SCE)。烯烴1的快速還原猝滅將提供自由基陽離子2和MesAcrPh·。自由基陽離子2是一種很強的親電試劑，它很容易被一個懸掛的雜原子親核試劑捕獲，生成以碳為中心的自由基3。在合適的Cu(II)氧化劑作用下，3發(fā)生自由基氧化加成反應(yīng)，得到有機銅(III)中間體。成功實現(xiàn)這一策略的關(guān)鍵是優(yōu)化消除步驟，使之有利于反熱力學(xué)消除到4。氧化消除的交替區(qū)域化學(xué)將提供不能在這種轉(zhuǎn)化的高氧化條件下存活的富含電子的烯胺。最后，反應(yīng)過程中生成的Cu(I)對MesAcrPh·的氧化結(jié)束了光氧化還原催化循環(huán)，再生了基態(tài)MesAcrPh+。
作者首先研究了在2.5mol%N-苯基吖啶四氟硼酸鹽(MesAcrPh+)、1當(dāng)量的三氟乙酸和各種Cu(II)末端氧化劑存在下，三取代烯烴1在輻照下的氧化環(huán)化反應(yīng)(表1，條目1?6)。在大多數(shù)情況下可以觀察到環(huán)化產(chǎn)物4的形成，但正如預(yù)期的那樣，Cu(II)氧化劑的特性被證明是至關(guān)重要的。作者假設(shè)，在Cu(II)介導(dǎo)的氧化消除過程中，空間大的羧酸鹽配體提高了烯烴生成的區(qū)域選擇性。其他高氧化光催化劑以中等的產(chǎn)率提供了4(條目7和8)，但MesAcrPh+被證明是這種轉(zhuǎn)化的最佳選擇。經(jīng)驗上，作者還觀察到，添加1當(dāng)量的TFA提高了氧化環(huán)化的速率和重復(fù)性(條目9)。因此，優(yōu)化的條件為2.5mol%MesAcrPh+，2當(dāng)量銅(II)2-己酸乙酯(Cu(EH)2)，1當(dāng)量1,2-二氯乙酸，兩盞15W藍色發(fā)光二極管泛光燈照射(條目6)。對照反應(yīng)證實了這一過程的光催化性質(zhì)：省略光催化劑、Cu(II)氧化劑或光導(dǎo)致不生成吡咯烷4(條目10?12)。
這種轉(zhuǎn)變所表現(xiàn)出的一般性程度是值得注意的(表2)。種類繁多的芳基磺酰胺類化合物可進行高效的氧化環(huán)化反應(yīng)。富含電子和缺電子的芳基磺酰胺類化合物反應(yīng)平穩(wěn)(4?8)，包括空間受阻的鄰位取代磺酰胺類化合物(8)。不幸的是，2-諾磺酰胺是不能容忍的(9)，可能是由于硝基芳烴的氧化還原活性。烷基磺酰胺是很好的反應(yīng)伙伴(10和11)，其中包括空間受阻的叔丁基磺酰胺，產(chǎn)率為67%，產(chǎn)率為12?；酋ｋ?span style="font-family: "Times New Roman";">(13)、醇(14)和羧酸(15)的環(huán)化產(chǎn)物產(chǎn)率較高，有效地獲取各種雜環(huán)支架。重要的是，在這些情況下，不需要改變催化劑系統(tǒng)或反應(yīng)條件，盡管所檢測的是不同的親核試劑。
容易適應(yīng)對系鏈基的長度和特性的修改，并且該方法的官能團公差很好。可以容忍包括酯(16)、醇(17)、硅醚(18)和縮醛(19)在內(nèi)的常見有機官能團。這些反應(yīng)表現(xiàn)出極好的化學(xué)選擇性，因為在親核游離醇(17)的存在下，僅觀察到磺酰胺的環(huán)化反應(yīng)。雖然提供五元環(huán)的環(huán)化反應(yīng)是最有效的(20)，但是六元環(huán)也很容易獲得(21)?？紤]到這些條件的氧化性質(zhì)，作者很高興地發(fā)現(xiàn)叔胺(22)和苯胺(23)的耐受性很好?？赡芘cCu(II)配位的Lewis堿性雜環(huán)也不會干擾所需的轉(zhuǎn)化(24)；然而，含有Lewis堿性官能團的底物用2當(dāng)量的p-TsOH酸代替TFA反應(yīng)最有效，這可能是因為堿性氮在這些條件下被質(zhì)子化。這些功能也特別值得注意，因為它們是過渡金屬催化劑的常見毒物，進一步證明了這種光催化體系與Pd(II)催化體系的獨特互補性。空間受阻的叔親核試劑經(jīng)過環(huán)化，以57%的產(chǎn)率提供了稠密官能化的螺環(huán)四氫呋喃(25)。合成了Azetidine 26，產(chǎn)率為54%，展示了該方法在合成藥物結(jié)構(gòu)方面的潛在用途。還可以合成雙環(huán)雜環(huán)化合物(27)，展示了該方法在構(gòu)建高階分子結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。
在這個反應(yīng)中，三取代烯烴是很好的底物，在所有情況下，作者都觀察到在最初的成鍵事件中唯一的反馬爾可夫尼科夫選擇性。因此，環(huán)化可以以內(nèi)切方式進行，與親核捕獲時生成更穩(wěn)定的自由基中間體一致(28)。在本實驗中，氧化消除給出了外環(huán)末端烯烴(4:1)的適度優(yōu)先選擇，這與Glorius觀察到的脫羧烯烴的區(qū)域選擇性一致。此外，氧化消除提供內(nèi)環(huán)烯烴可以無問題地進行(29)。苯乙烯烯烴提供1，1-二取代苯乙烯(30)作為唯一產(chǎn)物。重要的是，與許多Pd(II)催化的氧化胺化方法相比，沒有觀察到烯烴異構(gòu)化?？s短反應(yīng)時間是獲得高產(chǎn)率環(huán)化產(chǎn)物的關(guān)鍵，因為30在反應(yīng)條件下經(jīng)歷緩慢的氧化分解。令作者高興的是，四取代烯烴通常是Pd(II)催化的異官能團化方法中最具挑戰(zhàn)性的底物之一，反應(yīng)平穩(wěn)，并且與沒有離散催化劑?親核相互作用的情況一致，雜原子親核試劑的同一性對環(huán)化效率幾乎沒有影響?；酋０奉惢衔?span style="font-family: "Times New Roman";">(31)、羧酸類化合物(32)和醇類化合物(33)都提供了所需雜環(huán)的好到極好的產(chǎn)率。
重要的是，這種新的氧化異官能化反應(yīng)的范圍提供了一種合成能力，這是最先進的Pd(II)催化方法所不具備的。為了證明這種互補性，作者將三取代烯烴1和四取代烯烴34置于幾個已知的高活性Pd(II)基氧化胺化催化劑體系中(表3a和3b)。這些體系的氧化環(huán)化產(chǎn)率均不令人滿意，起始烯烴顯著分解。用Stahl(Pd(OAc)2/Pyridine)報道的催化劑體系的產(chǎn)率最高，但只有在高溫下延長反應(yīng)時間才能獲得最高的產(chǎn)率(4和31的產(chǎn)率分別為13%和22%)。相反，作者的光催化方案可以快速有效地將1和34氧化環(huán)化成相應(yīng)的雜環(huán)。
通過循環(huán)伏安法檢查每個反應(yīng)組分，可以很容易地解釋這種互補反應(yīng)性的來源(圖1)。在1,2-DCE中，三取代烯烴的氧化正電位明顯低于磺胺類、醇類或羧酸。此外，官能化的烯烴1的氧化比單獨的烯烴或磺胺類化合物的正電位要低得多。正如Moeller在研究異核試劑與電化學(xué)生成的烯烴自由基陽離子的反應(yīng)時所詳細描述的那樣，這一觀察結(jié)果與相對緩慢的烯烴氧化和隨后的快速環(huán)化事件相一致。因此，通過光化學(xué)氧化而不是過渡金屬來實現(xiàn)的多取代烯烴部分的活化可用來對我們觀察到的互補反應(yīng)性曲線進行解釋。
總而言之，作者已經(jīng)表明，由高氧化性光催化劑和Cu(II)末端氧化劑組成的光催化體系能夠使高取代烯烴與不同范圍的親核伙伴進行氧化異官能化。該反應(yīng)解決了最先進的氧化烯烴雜官能化的幾個長期合成限制。涉及烯烴自由基陽離子中間體生成的光活化機理避免了離散的金屬?烯烴或金屬?親核相互作用，因此這種光催化方法的范圍是對現(xiàn)有Pd(II)催化反應(yīng)的補充。更廣泛地說，這一反應(yīng)增加了越來越多的證據(jù)，表明Cu(II)鹽是光氧化還原反應(yīng)的理想終端氧化劑。雖然作者以前已經(jīng)證明，類似的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光化學(xué)生成的有機中間體的氧化取代反應(yīng)，但在這里，作者證明了它們的反應(yīng)性可以轉(zhuǎn)移到氧化消除反應(yīng)上。綜上所述，這些結(jié)果表明了一種強大的、潛在的通用策略，用于開發(fā)一系列利用光氧化還原激活的多功能性的新型氧化官能化反應(yīng)。
https://doi.org/10.1021/jacs.1c02747
