富勒烯笼神助攻，逆向拜维终配齐 | 中科大王官武课题组 Chemical Science

导读

近日，中国科学技术大学王官武教授课题组在英国皇家化学会旗舰期刊 Chemical Science 上发表前沿论文 (Edge article)，报道了将 [60]富勒烯稠合内酯高效地电化学还原为 [60]富勒烯稠合环酮的工作：[60]富勒烯稠合内酯被电化学还原为二负离子中间体，然后在乙酸的作用下被转化为 [60]富勒烯稠合环酮，产率为 85-91％。从反应式来看，这是首次报道的逆向 Baeyer–Villiger 反应。

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• A retro Baeyer–Villiger reaction: electrochemical reduction of [60]fullerene-fused lactones to [60]fullerene-fused ketones
  Chuang Niu, Dian-Bing Zhou, Yong Yang, Zheng-Chun Yin and Guan-Wu Wang*
  Chem. Sci., 2019, Advance Article
  http://dx.doi.org/10.1039/C8SC05089A

研究背景

Baeyer–Villiger 氧化重排反应

拜耳–维立格 (Baeyer–Villiger) 氧化重排反应是在过氧化物（如过氧化氢、间氯过氧化苯甲酸、过氧化乙酸、过氧化三氟乙酸等）氧化下，在酮 (ketone) 的羰基和一个邻近烃基之间引入一个氧原子，得到相应的酯 (ester) 的化学反应。环酮 (cyclic ketone) 发生反应得到内酯 (lactone)。

从表面上看来，该反应仅是一个氧原子对碳-碳键进行的插入反应。事实上，该反应是一个典型的 1,2-迁移反应：

1. 首先，反应物的羰基被质子活化。

2. 被质子活化后的羰基易于接受过氧酸的亲核进攻，发生亲核加成。

3. 原来过氧酸对应的羧酸部分从中间体离去，一个取代基（这里是 R）就通过 1,2-迁移转移到原来过氧酸留下的那个氧原子上，得到一个质子化的酯。

4. 这个酯并很快脱去质子而得到最终产物。
   （图片来自维基百科）

Baeyer–Villiger 氧化是有机合成中最重要的反应之一，可以用来从酮合成一些重要的酯和内酯。然而，根据文献调研，逆向的 Baeyer–Villiger 反应——也就是通过脱氧 (–O) 或脱水 (–HO) 途径仅消除一个氧原子，将酯／内酯直接还原成酮的过程——依然具有很大的挑战性，而且还未被报道过。

富勒烯

富勒烯 (Fullerene) 是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨相关联，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有五元环，偶尔还有七元环等。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即『C 分子』或『[60]富勒烯』，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为『巴克明斯特·富勒烯』（巴基球）。

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拥有 60 个碳原子的巴克明斯特·富勒烯 C，纪念建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒设计的加拿大 1967 年世界博览会球形圆顶薄壳建筑；C 与现代足球有着非常类似的结构
Image source: Wikipedia

富勒烯和碳纳米管独特的化学和物理性质以及在技术方面潜在的应用，引起了科学家们强烈的兴趣，尤其是在材料科学、电子学、生命科学和纳米技术方面。大量的富勒烯官能化方法已被开发和报道。由于反应条件温和、区域选择性好、产率较高，电化学合成已被证明是一种新颖有效的策略。

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富勒烯 C 的结球棍结构模型
Image source: Wikipedia

中国科学技术大学王官武教授课题组近年来在富勒烯机械化学、富勒烯自由基化学等领域取得了一系列研究成果，在国际上产生了较大的影响。王官武教授课题组之前的研究表明，通过电化学反应容易得到的富勒烯二负离子可被方便地作为构建砌块，用于合成具有新型加成模式的富勒烯衍生物（见下图）。

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电化学还原后得到的 [60]富勒烯吲哚啉二负离子被三氟乙酸 (CFCOOH) 质子化后，得到 1,2,3,4-富勒烯衍生物
Chin. J. Chem., 2014, 32, 699
（中国科学技术大学 王官武 等）

本篇论文

将 [60]富勒烯稠合的内酯 (C-fused lactone) 进行电化学还原得到二负离子中间体 (12-) 后，在用乙酸 (CHCOOH, AcOH) 试图对其质子化的过程中，本文作者意外地获得了 C-稠合的酮 2 而不是预期的 1,2,3,4-富勒烯衍生物（见上图），并且产率还非常高（下面的反应式）。

这是首次报道的内酯直接还原成酮的反应，从反应式来看也是首次实现 Baeyer–Villiger 氧化的逆反应。本文不仅通过对照实验阐明了反应机理，还通过光谱数据和单晶 X-射线结构解析对中间体和产物进行了表征。此外还研究了中间体和产物的电化学性质。

中国科学技术大学牛闯为本文的第一作者，王官武教授为本文通讯作者。本研究工作受到国家自然科学基金和中科院战略性先导科技专项的资助。

图文解读

表征与条件选择

本文作者首先对化合物 1a 的电化学还原进行了研究，并提出了如下的反应过程：

1. [60]富勒烯接受了一个电子后，C 和氧原子之间的 C–O 键发生异裂，开环形成 C 单键稠合的自由基阴离子中间体 1a，其中负电荷和未成对电子分别分布在富勒烯骨架和／或羧基上；

2. 该中间体接受个第二电子后，形成 C 单键稠合的双负离子中间体 1a2，其中一个负电荷位于羧基之上，而另一个负电荷分布在富勒烯笼上。

本文作者通过循环伏安 (Cyclic voltammetry, CV) 和可见-近红外 (Vis/NIR) 光谱对电还原过程和中间体进行了表征，证实了上述过程。

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邻二氯苯 (o-dichlorobenzene, ODCB) 中浓度为 1.0 mM 的化合物 1a 在不同电势窗口内的循环伏安 (Cyclic voltammetry, CV) 曲线；扫描方向如箭头所示，从 0.0 V 开始向负电位扫描，扫描速率为 50 mV s；电势的参照为饱和甘汞电极 (saturated calomel electrode, SCE)。
图中显示的 Epc 为 0.60 V (A) 处的第一个氧化还原反应对应于中间体 1a 的生成，Epc 为 1.14 V (B) 处的第二个氧化还原反应对应于中间体 1a2 的生成。

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中间体 1a 和 1a2 在 ODCB 溶液中的可见-近红外 (Vis/NIR) 光谱；这两个中间体分别是在 0.90 V 和 1.34 V 下的恒电位电解得到的。λ 为 986 和 652 nm 处的强吸收峰与 C 单键稠合的恶唑啉 (λ = 963, 645 nm)、磺内酯 (λ = 983, 648 nm) 和吲哚啉 (λ = 966, 648 nm) 的文献报道吸收峰位置高度一致。

根据上述结果，在常温 (~25 ℃) 和氩气氛下，于 1.34 V 的恒定电位处，对含有 0.1M TBAP（电解质）的 15.0 mL 无水 ODCB 溶液中的 1a (0.015 mmol) 进行电解，得到中间体 1a2。为了研究 1a2 的质子化，加入 10 当量的乙酸 (AcOH)，并将反应混合物在室温下搅拌 30 分钟。出乎意料的是，本文作者获得的产物是 C-稠合的酮 2a，产率高达 91％。从反应式来看这也是首次实现的 Baeyer–Villiger 氧化的逆反应。

另外，本文作者也在 0.90 V 的恒定电位处进行了电化学合成实验，此时电还原后得到的中间体是 1a，虽然也可以在加入 AcOH 后得到产物 2a，但产率仅为 54%。从 1a 生成 2a 的具体过程还有待将来研究（从 1a2 生成 2a 的过程见下文叙述），但显然的结论是二负离子中间体比自由基单负离子中间体在逆向 Baeyer–Villiger 反应中更为高效。

底物适用性与产物表征

更为重要的是，这一意外发现的逆向 Baeyer–Villiger 反应可以扩展到其它的 C-稠合内酯，结果总结在下表中。

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二负离子 1a–i2 中间体与 AcOH 反应的结果。具有不同给电子基团（包括甲基和甲氧基）以及吸电子基团（如芳环不同位置上的氯和羰基）的 C-稠合内酯分别得到了产物 2a-g，产率高达 86-91％。详细来看，取代基的给／吸电子效应和苯环上的取代位置对产物收率几乎没有影响，表明 1a-g2 关环得到 2a-g 是一种高效的方法。此外，当使用甲氧基二取代的底物 1h 时，也较易获得相应的产物 2h，产率为85％。最后，用苯环上没有取代基的 C-稠合的内酯 1i 得到最简单的 C-稠合酮 2i，产率为 90％。

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上述产物的构型经单晶 XRD 结构解析进行确认，此图为解析出的化合物 2f 的结构

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本文作者还通过 CV 研究了 C-稠合酮 2a–i 和 C 本身的半波还原电位，列于表中。2a–i 都具有非常相似的电化学性质，它们的第一个半波还原电位比 C 更负，表明它们的 LUMO 能级要高于 C，具有在有机光电器件中用作受体材料的潜力。

反应机理

本文作者提出了如下的反应机理：

1. 首先 C-稠合的内酯 1 发生电化学还原，C–O 键裂生成开环的二阴离子 12；

2. 由于 AcOH 的酸性较弱，所以即使在过量的 AcOH 存在下，也只有二负离子 12 中的羧酸根阴离子被质子化，得到单负离子 4；

3. 最后，中间体 4 经分子内环化，同时脱去氢氧根离子（脱去后被另一分子的 AcOH 中和）得到产物 2。

乙酸 (AcOH) 只质子化羧酸根阴离子基团的结论可以被下述的 TFA（强酸）和 NaH（强碱）对照实验所证实。

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用 1 当量的三氟乙酸 (TFA) 处理中间体 1a2 后也能以 90% 的收率得到产物 2a，但需要 12 小时的长反应时间。然而，当 1a2 与 3 当量 TFA 反应时，仅需 3 分钟就可以得到产物 3a，收率 89％。
根据上述对照实验的结果以及报道过的 pKa 数据（即不同质子的酸性强度），本文作者提出 TFA 将首先质子化羧酸根阴离子，然后再质子化富勒烯基阴离子。当只加入 1 当量的 TFA 时，1a2 中只有羧酸根阴离子被质子化，随后被富勒烯基阴离子进攻得到 C-稠合的酮 2a。当加入过量（3 当量）的 TFA 时，羧酸根阴离子和富勒烯基阴离子都被质子化，得到的最稳定的 1,2-氢化富勒烯 3a。

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在 ODCB 和乙腈 (4:1) 的混合溶液中，用 1 当量氢化钠 (NaH) 处理 3a 后可以以 71% 的收率获得 2a。1 当量的 NaH 选择性地使酸性更高的富勒烯基质子去质子化（而不是 3a 上的羧基氢），然后发生环化得到产物 2a。

作者简介

中国科学技术大学

1983 年 9 月 — 1993 年 6 月在兰州大学化学系学习，分别获得学士、硕士、博士学位。1993 年 7 月 — 2000 年 4 月，先后在复旦大学、日本京都大学、美国肯塔基大学、芝加哥大学和耶鲁大学从事博士后研究。

2000 年 5 月通过中国科学院 1999 年度「百人计划」引进到中国科学技术大学化学系工作，2001 年度国家杰出青年科学基金获得者。现为《Mini-Reviews in Organic Chemistry》(2017-) 副主编，《有机化学》(2007- )、《Current Organocatalysis》(2014- )、《化学学报》(2015.9- )、《Current Organic Chemistry》(2016.1- ) 编委。2004 年入选国家七部委首批「新世纪百千万人才工程」国家级人选；2005 年获安徽省委组织部、安徽省人事厅、安徽省科学技术协会颁发的“第七届安徽省青年科技奖」；2005 年享受国务院特殊津贴；2007 年获「药明康德生命化学研究奖」；2012 年获 Asian Core Program Lectureship Award。

近年来在富勒烯机械化学、富勒烯自由基化学、无溶剂有机合成、C–H 键活化等富勒烯化学和绿色化学等研究领域中取得的研究成果在 Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem., Int. Ed.、ACS Catal.、Chem. Sci.、Chem. Eur. J.、Org. Lett.、Chem. Commun. 等著名期刊上发表 210 余篇。

Chemical Science

英国皇家化学会旗舰期刊，发表化学领域最前沿、最重要、最具挑战性的高影响力研究成果

IF: 9.063 *

来源 | RSC英国皇家化学会

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