【可见光诱导烷基羧酸及其衍生物的脱羧偶联反应探析（论文）4600字】

可见光诱导烷基羧酸及其衍生物的脱羧偶联反应分析1引言自然界中普遍存在的物质，烷基羧酸也算是榜上有名的，因此它的来源也算是十分广泛；同时羧基中的羰基和羟基是通过p-π共轭构成的，因此它又有着很好的稳定性。也正是因为烷基羧酸的这些特点，在合成化学中利用它作为原料来构建各种各类有机物已经是不可或缺的部分。自由基反应在有机化学中有着重要地位,可见光诱导的自由基反应是化学学者的第一选择。烷基羧酸及其衍生物利用可见光的条件，脱去了一分子二氧化碳而变成了烷基自由基。化学学者在此基础上发现了一条由脱羧自由基官能团化制备其它有机分子的化学合成路线。烷基羧酸形成烷基自由基的反应历程有两种方案且均是在可见光氧化还原体系下发生的：其一是烷基羧酸利用碱性条件从而得到一分子二氧化碳和失去一个电子后形成烷基自由基；其二是烷基羧酸与N-羟基邻苯二甲酰亚胺发生酯化反应生成烷基N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯，随后在反应中失去一分子二氧化碳以及得到一个电子后形成了烷基自由基。（反应历程如图1）图1通过对烷基自由基的制备过程叙述后，接下来将从烷基自由基的后续反应进行讲述，即不饱和烃的加成反应、环化加成反应、芳杂环加成反应、自由基偶联反应等等。2不饱和烃的加成反应烷基自由基与不饱和烃的加成反应再按照产物的不同可分为烷基化、烯基化、炔基化以及双官能团化四种类型。2.1自由基烷基化在可见光反应体系下，烷基羧酸与缺电子烯烃的迈克尔加成反应在Michael课程组的全员研究下得到了报道：在可见光反应体系下，铱催化剂变成有着强氧化性的激发态铱催化剂，环己基羧酸经过单电子转移后变成了环己基羧酸自由基，接着再与缺电子烯烃发生加成反应生成了新的自由基物种1，最后自由基物种1在单电子还原体系下生成了1,4-加成产物。总的来说，就是在可见光氧化还原体系下，环己基羧酸与缺电子烯烃在铱催化剂的作用下生成了1,4-加成产物（反应历程见图2）。也正是因为Michael课程组的报道，后续人们通过三步法来制取药物分子普瑞巴林（pregabalin）也是利用了这种新型的脱羧加成反应。这一加成反应方法同时也为其他课程组提供了思路：苄基自由基与缺电子烯烃的加成反应在Nishibayashi课程组的努力完成了；而氨基酸的一级二级氨甲基自由基和不饱和羰基化合物的加成反应也被Ruepling课程组提上了日程；除此之外，非金属吖啶盐类催化剂的脱羧反应也在Gonzalez-Gomez和他的同伴Koike的合作下有所突破。图22.2自由基烯基化烯基化产物是通过让烯烃发生加成反应，再经过氧化反应最终得到的。这一过程也就是自由基烯基化。经过MacMillan课程组的报道，我们知道该反应的历程：α-氨基酸在可见光氧化还原体系下发生脱羧反应生成了α-氨基酸甲基自由基，随后该自由基与烯基砜类化合物发生反应生成了烯丙胺化合物；同时在自由基与烯基砜类化合物反应中所脱离的芳基砜自由基将前一过程中所需的催化剂Ir（Ⅱ）氧化为Ir（Ⅲ），使得整个反应历程得以实现。总的来说也就是在存在可见光的情况下，α-氨基酸与烯基砜类化合物发生了脱羧烯基化反应，进一步生成烯丙胺化合物（反应历程见图3）。这一反应机理同时也启发了化学科研者在天然产物和药物分子合成中的想法。图32.3自由基炔基化自由基炔基化反应如同自由基烯基化反应，即对炔烃进行加成反应随后再发生氧化反应得到炔基化产物。该反应是可见光氧化还原体系下，烷基羧酸与炔基高碘化合物发生反应从而生成两种不同的产物，在反应中的催化剂Ir在可见光的条件下变成激发态Ir，激发态Ir氧化烷基羧酸时，使烷基羧酸因失去二氧化碳分子而变成烷基自由基，而这脱离的一分子的二氧化碳也是反应产物不同的原因。当不考虑一分子二氧化碳分子的存在时，反应产物A则为烷基自由基发生加成反应生成目标内炔化合物；当考虑一分子二氧化碳分子存在时，反应产物B为羰基炔基化合物（反应历程见图4）。这一反应看似复杂，但是在反应条件温和的条件下，会有较高的产率。图42.4双官能团化双官能团化合物可以通过烯烃的加成反应从而引入两个官能团生成。双官能团化合物化学性质不同于单官能团化合物的化学性质，但是双官能团化合物也有着单官能团化合物的典型性质；同时也是因为两个单官能团的相互影响，单官能团化合物所没有的化学性质在双官能化合物上可以表现。Glorius课程组从可见光诱导苯乙烯类化合物的烷氧基化反应进一步研究了双官能团化反应：水/醇与N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯反应生成氢键络合物，氢键络合物再通过单电子转移变成新化合物2，随后再失去一分子二氧化碳分子及醇生成烷基自由基和邻苯二甲亚酰离子；烷基自由基与烯烃因发生加成反应从而生成自由基化合物3，化合物3再通过单电子转移生成碳正离子4，而碳正离子4发生亲和反应生成双官能团化合物（醇或醚化合物）。即N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯与烯烃在可见光氧化还原体系下通过双官能团化生成醇或醚化合物（反应历程见图5）。图53加成环化反应有机合成反应中能够有效的提高反应效率的方法之一为自由基的加成环化反应。在Aggarwal课程组所发表功能化环丙烷化合物的合成的报道中正是利用了加成环化反应。这一化合物的合成是在可见光氧化还原体系下，烷基羧酸与缺电子烯烃通过脱羧自由基加成反应脱去了二氧化碳分子、氢离子以及一个电子，从而生成自由基化合物5；接着发生还原反应变成碳负离子中间体；最后脱去氯离子得到了环丙烷化合物（反应历程见图6）。这一反应由于在可见光的体系下，有着很好的官能团容忍度，从而为合成各类环丙烷化合物分子提供了一条高效率路线。图6环化加成反应除了在合成简单的环化物，还可以合成各类杂环化合物。Jamison课程组就合成杂环化合物发表了报道：在可见光氧化还原体系下，1-(2-异氰苯基)-1H吡咯、烷基羧酸及二乙酸碘苯反应形成了亚氨基中间体，接着经过均溶性芳香族取代生成吡咯并【1,2-α】喹喔啉衍生物（反应历程见图7）。图7其外，孙培培等课程组从另一反应报道了环化加成反应合成杂环化合物——烷基羧酸在有机染料和过硫酸铵氧化还原体系下变成烷基自由基，随后该自由基与芳基丙烯酰胺衍生物生成亚氨自由基中间体是是因为发生了串联环化反应，接着亚氨自由基同样发生了均溶性芳香族取代从而生成烷基菲啶化合物（反应历程见图8）。图84芳杂环加成反应Glorius课程组就芳杂环加成反应进行分析——芳杂环与烷基羧酸发生脱羧烷基化反应。该反应为芳杂环与烷基羧酸在蓝色光照照射下以及铱催化剂的氧化还原体系下，生成产物2-环戊基-4-甲基喹啉，具体的反应历程如：在蓝色光照照射下，Ir（Ⅲ）变成激发态*Ir（Ⅲ）,继而在单电子转移下,激发态*Ir（Ⅲ）变成Ir（Ⅳ），同时过二硫酸根离子变成了硫酸根负离子自由基；环己羧酸脱去一分子二氧化碳分子且氢离子与硫酸根负离子自由基结合后变成环己基自由基，接着环己基自由基与4-甲基喹啉反应形成中间体5，中间体5在单电子转移的条件下失去氢离子及一分子电子形成2-环戊基-4-甲基喹啉（反应历程如图9）。图95自由基偶联反应为进一步了解自由基偶联反应，MacMillan课程组以α-氨基酸和苯腈为原料进行研究：α-氨基酸和苯腈在可见光氧化还原体系下，前者变成烷基自由基，后者则变成芳烃自由基，同时脱去二氧化碳分子生成苄胺（反应历程见图10）。图10翁江课程组从另一种脱羧化反应来进一步讲述自由基偶联反应——可见光促进的脱羧苄基化反应，而该反应流程:在以蓝光为光催化剂的条件下，亚胺还原为亚胺自由基离子，而苯乙酸氧化为苄基自由基；接着两个自由基经过自由基偶合并且加上一分子氢离子生成偶联化合物A（反应历程见图11）。图116M-R交叉偶联反应交叉偶联反应是以过渡金属配合物为催化剂，使卤代烃（RX）与非过渡金属有机物（R'M'）反应从而生成新的碳碳键。MacMillan课程组再次研究M-R交叉偶联反应并发表了报道，以镍与可见光协同催化体系为条件，以α-氨基酸与芳基卤化物为原料进行研究：铱催化剂在可见光氧化还原体系下变成激发态的铱催化剂，而α-氨基酸在该催化剂的条件下发生脱羧反应变成烷基自由基；另一边芳基卤化物与Ni（0）氧化反应生成Ni（Ⅱ）中间体，Ni（Ⅱ）中间体再与烷基自由基发生氧化反应生成Ni（Ⅲ）化合物，最后Ni（Ⅲ）化合物发生还原反应生成Ni（Ⅰ）化合物以及目标偶联化合物A。（反应历程见图12）图12此外，MacMillan课程组就铜与可见光协同催化的条件，研究了烷基羧酸与1-（三氟甲基）-1,2-苯磺酰-3（1H）-酮反应生成的的三氟甲基化产物。（反应历程见图13）图13付华课程组同样在铜与可见光协同催化的条件下，研究了末端炔烃与α-氨基酸衍生物反应生成的丙炔胺化合物。（反应历程见图14）图147其他反应在有机合成反应中，烷基胺化合物和烷基硼化合物都是重要的合成产物。Tunge课程组研究了在可见光氧化还原体系下烷基羧酸与偶氮二羧酸异丙酯反应生成烷基胺化合物。（反应历程见图15）图15Leonori课程组则研究了烷基羧酸与亚硝基苯在可见光氧化还原体系下反应生成烷基芳基羟胺化合物。（反应历程见图16）图16李鹏飞课程组在可见光氧化还原体系下研究了以硼酸与N-羟基邻苯二甲酰亚胺酯为原料，同时以铱为光催化剂促进反应，从而生成目标合成物——烷基硼化合物（三氟硼酸盐和烷基硼酸酯）；烷基硼酸酯的生成也是可以不需要铱等其他来作为光催化剂来促进反应，而这一反应在Aggarwal课程组的报道中有所研究。（反应历程见图17）图178结束语本篇文章主要介绍了可见光诱导烷基羧酸及其衍生物的脱羧偶联反应，再从烷基羧酸自由基的后续反应进行分类，归纳总结了烯烃/炔烃加成、加成环化、芳杂环加成、自由基偶联、有机金属（M-R）交叉偶联及其其他反应。这些反应也是在有机合成中承担着重要的角色。通过这些反应，我们了解到可见光反应体系具有众多优点，例如反应活性高，官能团容忍性好。上述反应的归纳总结，还让我们了解到各类碳-碳和碳-杂键的高效率构建。这些反应因为是在可见光的条件下进行的，极大限度地实现了绿色环保指标，为保护环境默默奉献。相关文献[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(inCh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