昆明学院梁德强教授课题组Green Chem.：光电联合催化非活化烯烃与丙二酸二酯碳环化合成多环嘧啶-4-酮

导语

光电联合催化应用前景广阔，但当前反应类型少。最近，昆明学院梁德强课题组报道了一个新的光电联合催化模式和非活化烯烃与丙二酸二酯的脱氢烷基化/环化反应，利用该反应可以合成官能团化多环嘧啶-4-酮。机理研究表明，光电联合的增益作用来自于氧化淬灭光催化循环对活泼电化学中间体的快速还原转化，以解决电反应中部分反应中间体来不及扩散至电极表面的问题。相关成果发表在Green Chem.（DOI: 10.1039/D4GC00352G）。

前沿科研成果

光电联合催化非活化烯烃与丙二酸二酯碳环化合成多环嘧啶-4-酮

多环嘧啶-4-酮广泛存在于临床药物和生物碱分子中，并呈现广泛的生物活性。多环嘧啶-4-酮的传统合成方法通常需要过量氧化剂、过渡金属催化剂和高温条件（图1a和1b），因此亟需为这类分子发展绿色、温和、可持续的合成策略。

2019年前后，一些先锋化学家开创了光电联合催化合成化学。通常的做法是将光催化循环作为在反应物与阳极或阴极之间传递电子的反应介体，以实现既温和又高效的电子转移或氢原子转移（图1c）。当前光电联合化学仍处于初创阶段，还存在反应类型少等问题。本论文报道了温和条件下从非活化烯烃和简单丙二酸二酯到官能团化多环嘧啶-4-酮的光电联合催化合成，该反应中关键电化学中间体的扩散问题通过在阴极引入氧化淬灭光催化循环予以解决，该光催化循环将短寿的缺电子自由基中间体转化为稳定的还原态（图1d）。

图1. 多环嘧啶-4-酮合成和光电联合策略（图片来源：Green Chem.）

在最优的条件下，作者们对底物范围进行了研究（图2）。N-高烯丙基喹唑啉-4-酮苯环上的各种供电子基和吸电子基都能被反应兼容，但芳基被溴代或碘代的底物具有挑战性，容易发生还原脱卤。使用五个碳的N-烯基链作为自由基受体，可以得到六元环产物四氢吡啶并喹唑啉酮。当烯基链更长时，不能得到目标七元环或八元环产物。系列丙二酸二酯都是高活性自由基前体，从(-)-冰片合成的丙二酸二酯也能顺利发生反应，证明了本策略在复杂分子后期修饰方面具有潜力。该反应的条件足够温和，能兼容噻吩并喹唑啉酮、单环嘧啶-4-酮和6-三氟甲基嘧啶-4-酮等敏感底物。

图2. 底物范围（图片来源：Green Chem.）

该光电联合催化反应普适性广，可以应用到大量其它非活化烯烃（图3）。N-烯基桥连苯并咪唑、异喹啉-1-酮、吡啶-2-酮、吲哚、吡唑、吡咯、2-苯基苯并咪唑、酰基苯胺和喹啉-4-酮等底物都能参与反应，生成对应含二羰基的苯并哌啶并咪唑、苯并吡咯并咪唑、吡咯并异喹啉酮、吡咯并吡啶酮、四氢吡啶并吲哚、吡啶并吡唑、四氢中氮茚、苯并咪唑并异喹啉、吲哚啉和二氢吡啶并喹啉-1-酮等产物。O-烯丙化水杨醛参与反应时，醛羰基碳充当内置自由基捕获基团，生成色满-4-酮，但产率低。双烯丙化磺酰胺参与反应时，得到氧化还原中性产物3,4-二烷基吡咯烷。活化烯烃N-芳基丙烯酰胺也能在光电联合条件下环合，生成吲哚啉-2-酮。

图3. 策略拓展（图片来源：Green Chem.）

作者们提出了以下的反应机理（图4）。丙二酸二乙酯2a在阳极发生PCET生成丙二酸二乙酯自由基A，并引发后续的自由基加成和环化过程，生成N-自由基中间体C。两个因素决定了中间体C不能被Ir(ppy)3的还原淬灭光催化循环氧化（path e）：其一是光催化剂的激发态还原电势极低（E1/2 = 0.31 V vs. SCE），其二是基态Ir(ppy)3的还原电势（Ep/2 = -1.85 V vs. SCE）要比产物3a的还原电势（Ep/2 = -0.72 V vs. SCE）低，导致该过程在热力学上不利。中间体C可以在阳极被氧化（path f），但是它的寿命可能不足以支撑到它扩散到阳极表面。这种情况下，C可以被氧化淬灭光催化循环还原为氮负离子中间体D（path g）。D质子化后可以从容扩散至阳极发生氧化，生成目标产物3a。因此，作者们认为当前光电联合的增益效应来自光催化循环利用其均相、瞬时和大电势等优点对活性电化学中间体进行快速还原转化。

图4. 反应机理（图片来源：Green Chem.）

总结：

梁德强团队报道了光电联合催化从非活化烯烃和简单丙二酸二酯出发的脱氢烷基化/环化合成多环嘧啶-4-酮的反应。这是一个新型光电联合催化模式，该模式得益于氧化淬灭光催化循环对活性电化学中间体的快速转化，从而提高反应效率。该反应模式将为进一步发展新颖光电联合催化反应提供线索。

论文信息：

Photoredox streamlines electrocatalysis: photoelectrosynthesis of polycyclic pyrimidin-4-ones through carbocyclization of unactivated alkenes with malonates, Minglin Tao, Qin Feng, Kaixing Gong, Xuege Yang, Lou Shi,* Qiaowen Chang,* Deqiang Liang,* Green Chemistry,2024, DOI: 10.1039/D4GC00352G

文章通讯作者是昆明学院梁德强教授、石楼博士和常桥稳博士，昆明学院本科生陶明林是本文的第一作者。

聂舟教授简介

梁德强，男，博士，教授，江西瑞昌人。云南省有突出贡献优秀专业技术人才，云南省高校绿色有机资源化学科技创新团队带头人，云南省万人计划青年拔尖人才，昆明市劳动模范。2012年7月博士毕业于东北师范大学有机化学专业，师从王芒、刘群教授；同年8月进入昆明学院独立开展研究，2018年9月至2019年7月在武汉大学雷爱文教授课题组访学交流。研究领域为光电催化绿色有机合成，主持国家自然科学基金2项，主持云南省科技厅项目4项，以通讯作者或第一作者发表SCI论文40余篇。

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