湘潭大学黄华文教授Org. Lett.：可见光介导的光氧化还原水溶性亚砜硫叶立德形成碳自由基

导语

以亚砜硫叶立德作为自由基给体，N-芳基丙烯酰胺作为自由基受体，通过自由基偶联环化高效构筑有价值的氮杂环结构。近日，湘潭大学化学学院黄华文教授首次报道了可见光诱导的光氧化还原水溶性亚砜硫叶立德形成碳自由基的相关反应。硫叶立德可以被H2O直接还原生成相应的碳氢化合物，但作为自由基受体的烯烃改变了它的化学反应性，与N-芳基丙烯酰胺的发生自由基偶联环化反应。机理研究揭示了亚砜硫叶立德形成碳自由基的两种不同反应途径：还原释放二甲基砜和碳芳基化产生DMSO。相关成果在线发表于Organic Letters（DOI: 10.1021/acs.orglett.3c00143）。

（来源：Organic Letters）

前沿科研成果

可见光介导的光氧化还原水溶性亚砜硫叶立德形成碳自由基

碳自由基是自由基型C-C键形成的关键中间体，发展多功能碳自由基前体是有机合成的重要目标。在这方面，同样重要的是开发简单的自由基产生反应条件，以获得高的化学选择性和广泛的官能团耐受性。碳自由基形成的传统方法主要依靠碳氢化合物的单电子氧化和有机卤化物的还原脱卤，这两个过程分别需要化学当量的氧化剂和碱（图1a）。近年，光催化、电催化和机械化学能够使这些转化在温和的条件下实现，尽管已有较好发展，仍然需要探索新的碳自由基前体及其新的反应活性。

在极性化学中，化学硫叶立德因其独特的反应活性和易于制备被很好的用作单碳合成子。此外，Schuster首次报道了可见光诱导下苯酰基硫醚叶立德作为碳自由基前体的方法。近期，Chen等人最近通过还原质子耦合电子转移（PCET）和氧化单电子转移（SET）两种不同机制模型，展示了硫醚叶立德在自由基偶联方面更广泛的合成应用（图1b）。近几十年来，作为硫叶丽德的一种，亚砜基叶立德已广泛应用于过渡金属催化的C-H/C−S键活化，但其在光化学的合成潜力尚未研究。考虑到亚砜基叶立德具有良好的水溶性，作者对光氧化还原水溶性砜基叶立德形成碳自由基非常感兴趣。因此，湘潭大学黄华文教授课题组报道了以亚砜叶立德作为碳自由基前体的烯烃碳芳基化反应（图1c）。这项工作的显著特点包括：简单的反应条件、广泛的官能团耐受性及不同于已知硫叶立德的PCET和SET过程的关键机制见解。

图1. 酮α碳自由基的形成

（来源：Organic Letters）

作者选择亚砜硫叶立德（1a）和N-苯基丙烯酰胺（2a）作为模型底物来探索反应的最佳条件。经过条件筛选和优化，作者确定：4CzIPN为光催化剂、DCM/H2O (v/v, 1/2)为溶剂、氩气氛围中用35 W蓝光LED在25-35 oC照射24 h，该反应可以83%产率得到目标产物3a。

在最佳反应条件下，作者探索了亚砜叶立德和N-芳基丙烯酰胺的底物范围（图5）。在苯环对位带有供电子基团（Me、OMe、t-Bu和Ph）或吸电子基团（F、Cl、Br和CF3）都可以很好地容忍，以优良的产率得到相应产物3b-3i。间位取代和邻位取代的苯甲酰亚砜叶立德同样有效地参与反应（3j-3p，70%-83%）。萘基叶立德也可以顺利得到目标产物。此外，含有噻吩、呋喃和苯并噻吩部分的杂芳基反应物以中等产率生成相应的产物3r-3t。值得注意的是，脂肪族叶立德也表现出适中的反应活性（3u-3w）。为了展示此方案的实用性，作者在标准的条件下进行了克级反应，以80%的产率获得了3a。

随后，作者测试了各种N-丙烯酰胺衍生物的反应活性（图5，底部）。苯环上带有甲基、甲氧基、叔丁基、氰基和三氟甲基的N-甲基-N-苯基甲基丙烯酰胺可以顺利完成转化，以50%-81%的产率提供相应的产物3x-3ah。在芳环邻位含有甲基和氟的丙烯酰胺以良好的产率生成产物3ag和3ah。间位取代的反应物以良好的产率得到产物3ae和3af，区域异构比分别为1.8:1和3:1。此外，带有不同N取代基的甲基丙烯酰胺，以良好至优异的产率转化为相应的产物3ai-3an。在丙烯酰胺的C2位置带有苯基的底物也被很好地兼容（3ap）。衍生自二氢二苯并氮杂卓底物以90%的产率（3aq）进行环化反应。最后，药物分子萘普生的甲基丙烯酰胺衍生物成功地发生了该光催化偶联反应（3ar）。

图2. 光化学偶联/环化的底物范围

（来源：Organic Letters）

为了洞察反应机理，作者做了大量的反应机理研究和一系列控制性实验，如荧光淬灭实验、循环伏安测试实验、自由基捕获实验、开关灯实验等。最后，作者提出了该光催化偶联/环化的机理。如图3所示，从1a和2a生成3a并释放DMSO可以视为氧化还原中性过程，其中H2O似乎没有参与。水合锍盐A与激发态的4CzIPN经过SET（单电子转移）形成4CzIPN自由基阴离子[4CzIPN•-，E1/2（P/P-）=-1.21 V]。我们猜测连续的光诱导电子转移（ConPET）产生高还原激发自由基阴离子物种（*4CzIPN•−，Ered<−2.94 V vs SCE）。随后，质子化锍盐D被*4CzIPN•−还原，生成苯乙酮自由基C和DMSO。因此，4CzIPN再次产生，然后吸收光子到激发态。C与2a进行自由基加成，然后自由基环化生成中间体E，中间体E被*4CzIPN氧化，最后脱质子得到产物3a。

图3. 可能的反应机理

（来源：Organic Letters）

总之，作者首次报道了可见光诱导的水溶性亚砜硫叶立德形成碳自由基。在无自由基受体的情况下，硫叶立德被水还原成苯乙酮并伴随二甲基砜的生成。以芳基丙烯酰胺作为自由基受体，则探索了N-芳基丙烯酰胺的碳芳基化反应，其特征是在光氧化还原中性条件下以独特方式形成自由基并释放DMSO。该方案提供了简单的反应条件下获得具有广泛官能团耐受性的氧化吲哚的可行途径。更重要的是，它可以启发设计其它硫叶立德作为自由基前体的自由基偶联反应。

研究成果以“Visible-Light-Mediated Photoredox Carbon Radical Formation from Aqueous Sulfoxonium Ylides”为题，发表在期刊Organic Letters上。湘潭大学化学学院硕士研究生咸宁为本文第一作者，论文通讯作者为湘潭大学黄华文教授。研究工作得到了国家自然科学基金（22071211）、湖南省教育厅科研基金（18C0089）、湖南科技规划项目（2019RS2039）、湖南自然科学基金资助（2020JJ3032）、河南师范大学化学与化工学院开放研究基金（2022C02）的支持。

黄华文教授简介

黄华文教授，2009年6月毕业于西北大学，获工学学士学位。2014毕业于华南理工大学，获工学博士学位，同年7月进入湘潭大学化学学院工作，随即加入以邓国军教授为学科带头人的“绿色合成与催化”团队。2016年获得中国留学基金委支持以博士后身份赴哥廷根大学进修，合作导师Lutz Ackermann教授。2019年获中共湖南省委“湖湘青年英才”称号。2020年获湖南省优秀青年基金。2021年获湖南省化学化工学会第十七届青年化学化工奖。现为湘潭大学化学学院教授、博士生导师。参加工作以来围绕“环境友好型有机合成化学新策略开发和应用”这一主题展开研究，并取得了一系列原创性成果。目前以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文90余篇（中科院一区论文50余篇）。论文他引次数超过4400次，H因子44，先后有5篇论文入选ESI高被引论文，3篇论文入选Green Chem.年度热点论文。申请专利15项（授权10项）。担任J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Green Chem.、Org. Lett.等国际权威期刊的独立通讯审稿人，Chin. Chem. Lett.及Chin. J. Org. Chem.期刊青年编委。

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