JACS：光诱导氧转移实现烯烃的无氧断裂

导读

近日，纽约大学Marvin Parasram课题组报道了一种使用硝基芳烃作为氧转移试剂，在可见光诱导下实现了烯烃的无氧断裂（anaerobic cleavage），合成了一系列羰基化合物。同时，该反应是氧化断裂策略（如臭氧分解和 Lemieux-Johnson反应）的安全且实用性的替代策略。此外，该策略具有底物范围广泛、官能团兼容性高、反应效率高、区域选择性高等特点。机理研究表明，反应涉及硝基芳烃的直接光激发，然后与烯烃进行非立体专一性（nonstereospecific）自由基环加成反应，得到1,3,2-和1,4,2-二噁唑烷（dioxazolidine）中间体，随后断裂以生成羰基产物。

正文

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

烯烃的氧化断裂是有机化学中合成天然产物和候选药物中的关键羰基官能团的有效策略。其中，臭氧分解是最常用的方法之一，但存在安全性问题、需臭氧发生器、化学计量难以控制等问题（Scheme 1A）。1955年，Lemieux和Johnson 课题组开发了另一种替代的策略，即使用高锰酸钾或四氧化锇与高碘酸钠相结合的体系，实现了烯烃的二羟基化/氧化的串联反应，但仍需在高度氧化条件下进行，从而限制了底物的范围，并生成大量的有毒废物（Scheme 1B）。因此，仍需开发一种温和、通用和实用的烯烃氧化断裂的方法。最近，化学家们已开发了多种过渡金属和有机光催化的方法。然而，此类反应常需依赖于氧气作为终端氧化剂，从而限制了反应的范围。近日，纽约大学Marvin Parasram课题组报道了一种使用经济且稳定的硝基芳烃作为氧转移试剂，在可见光诱导下实现了烯烃的无氧断裂，合成了一系列羰基化合物（Scheme 1C）。值得注意的是，该策略具有较低的安全风险，且无需外源氧化剂，从而解决了臭氧分解和 Lemieux-Johnson反应中长期存在的问题。

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烯烃臭氧分解的一个关键步骤是臭氧的 1,3-偶极环加成。与臭氧相比，硝基芳烃与烯烃的环加成在热力学上是不利的。Büchi 和 Ayer 的开创性工作表明，用紫外光直接照射硝基芳烃可以产生更高的能量激发态，从而引发烯烃的环加成反应。形成的环加成产物（推定的二噁唑烷中间体）高度不稳定，会自发断裂生成羰基衍生物（即臭氧分解的形式产物）。然而，此类反应存在收率低、副产物多、反应条件苛刻等弊端。随着光化学的持续发展，Parasram课题组认为，利用可见光光激发的硝基芳烃，可促进烯烃无氧断裂中的氧转移过程。

通过相关反应条件的优化后发现，当在390 nm（紫光）照射下于乙腈溶剂中23 oC下反应，即可使反应顺利进行。在获得上述最佳反应条件后，作者对烯烃的底物范围进行了扩展（Table 1）。首先，一系列不同取代的苯乙烯衍生物，均可顺利反应，获得相应的产物2a-2ab，收率为24-98%。值得注意是，一系列活性的基团，如卤素、羟基、氨基、羧酸等，均与体系兼容。同时，克级规模实验，同样可获得74%收率的产物2n，从而进一步证明了反应的实用性。其次，一系列非活化的烯烃底物，也与体系兼容，获得相应的产物2ac-2al，收率为11-54%。此外，该策略还可用于治疗性桦木醇（therapeutic betulin）1am的后期修饰，获得25%收率的产物2am。

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紧接着，通过对苯乙烯1a和4-氰基硝基苯的紫外-可见吸收光谱研究表明， EDA配合物不是在基态形成的（Figure 1）。同时，反应可能形成硝基芳烃聚集体（nitroarene aggregates），这可能是观察到的红移的原因。基于这些结果，硝基芳烃是导致 T1 (n,π*) 激发态双自由基的唯一光吸收配合物，并可通过生成自由基离子对的SET过程或自由基环加成过程与烯烃反应，从而生成二噁唑烷中间体。然而，通过自由基捕获实验时发现，反应的收率不受影响，从而表明上述的第一种途径不太可能。此外，进一步的对照实验表明，反应存在以氧为中心的双自由基中间体。

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此外，当使用cis-/trans-3为底物时，在标准条件下反应时，未检测到自由基开环产物，但获得反式/顺式异构体混合物4以及trans-5，从而表明硝基芳烃与3反应生成自由基开环中间体，随后发生可逆的闭环过程，导致观察到的3手性消失（stereoablation）。因此，关键二噁唑烷中间体的形成可能是通过双自由基环加成过程进行的（eq 1）。

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同时，为了进一步证明二噁唑烷中间体形成，作者进行了原位1H和19F光核磁共振研究（Figure 2A）。二噁唑烷中间体6在60oC进行热解反应时，生成了2al，表明了二噁唑烷中间体6的断裂没有光化学促进。二噁唑烷中间体6进行氢化反应时，获得顺式和反式二醇的混合物7，表明了反应涉及非立体专一性自由基闭环过程。

接下来，为了确定在转化过程中是否形成了额外的中间体，作者对苯乙烯8与4-氰基硝基苯的反应进程进行了光核磁共振监测（Figure 2B）。研究表明，反应先形成了1,3,2-二噁唑烷中间体Int I，经1,3-偶极环加成生成1,4,2-二噁唑烷中间体Int II。随后，当底物8转化结束后，升高温度至-20oC时，Int I和Int II快速分解，同时生成2a与9。9可进一步进行光化学转化，生成为哑嗪中间体10。最后，10经重排反应，可获得酰胺产物11。

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基于上述的研究以及相关文献的查阅，作者提出了一种合理的催化循环过程（Scheme 2）。首先，在对390 nm光进行光吸收后，硝基芳烃S1激发态经系间窜跃（ISC）生成双自由基T1态。T1与烯烃进行自由基加成反应，生成短寿命中间体12。其次，通过分子内自由基闭环，生成中间体13，其在-20oC下发生断裂（R = 芳基）。二噁唑烷中间体13可通过自由基或极性途径进行断裂。在自由基断裂过程中，生成两个羰基化合物和芳基氮烯副产物。然而，对芳基氮烯进行的分子间和分子内捕获，均未成功。在极性断裂途径中，主要分为两种过程。在任何一种情况下，在第一次断裂后形成的产物，羰基亚胺中间体与羰基化合物随后经1,3-偶极环加成反应，生成1,4,2-二噁唑烷中间体（14和15），再经断裂即可获得羰基产物。

（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结

纽约大学Marvin Parasram课题组报道了一种可见光诱导硝基芳烃促进烯烃的断裂策略，合成了一系列羰基化合物。同时，该策略具有安全性高、反应条件温和、底物范围广泛、官能团兼容性高、反应效率高、区域选择性高等特点。机理研究表明，硝基芳烃可被可见光光激发，生成一种新型的T1双自由基中间体。高反应性的双自由基中间体T1与烯烃底物发生非立体专一性自由基环化反应，生成瞬态芳基1,3,2-和1,4,2-二噁唑烷中间体，并且首次通过可变温度原位光核磁共振技术进行了确认。最后，通过氧转移过程，可获得相应的羰基化合物。

文献详情：

Dan E. Wise, Emma S. Gogarnoiu, Alana D. Duke, Joshua M. Paolillo, Taylor L. Vacala, Waseem A. Hussain, Marvin Parasram*. Photoinduced Oxygen Transfer Using Nitroarenes for the Anaerobic Cleavage of Alkenes. J. Am. Chem. Soc. 2022. https://doi.org/10.1021/jacs.2c05648