催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (3): 564-570.DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63953-0

• 可见光催化有机合成专栏 • 上一篇    下一篇

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(sp3)-H砜基化

张少南, 曹石, 林玉妹, 沙利源, 陆成, 龚磊*()   

  1. 厦门大学化学化工学院, 福建省化学生物学重点实验室, 福建厦门 361005
  • 收稿日期:2021-09-02 修回日期:2021-09-02 接受日期:2021-10-02 出版日期:2022-03-18 发布日期:2022-02-18
  • 通讯作者: 龚磊
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22071209);国家自然科学基金(22071206);国家万人计划青年拔尖人才支持计划;福建省杰出青年基金(2017J06006);中央高校基础研究基金(20720190048);教育部基础学科拔尖学生培养计划

Photocatalyzed site-selective C(sp3)‒H sulfonylation of toluene derivatives and cycloalkanes with inorganic sulfinates

Shaonan Zhang, Shi Cao, Yu-Mei Lin, Liyuan Sha, Cheng Lu, Lei Gong*()   

  1. Key Laboratory of Chemical Biology of Fujian Province, iChEM, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China
  • Received:2021-09-02 Revised:2021-09-02 Accepted:2021-10-02 Online:2022-03-18 Published:2022-02-18
  • Contact: Lei Gong
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22071209);National Natural Science Foundation of China(22071206);National Youth Talent Support Program;Natural Science Foundation of Fujian Province of China(2017J06006);Fundamental Research Funds for the Central Universities(20720190048);Basic Disciplines Training Program for Top-notch Students of the Ministry of Education.

摘要:

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(sp3)‒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(sp3)‒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(sp3)‒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(sp3)‒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(sp3)‒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.

关键词: 可见光, 光催化, C(sp3)-H官能化, 砜基化, 自由基

Abstract:

The development of practical methods for the direct and selective C(sp3)‒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(sp3)‒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.

Key words: Visible light, Photocatalysis, C(sp3)-H functionalization, Sulfonylation, Radical