赣南师大郭维组Green Chem.：无光催化剂条件下、可见光驱动的三组分环化制备2-亚氨基噻唑烷-4-酮

导语

近年来，重氮化合物参与的反应取得了很大的研究进展，这些反应包括过渡金属催化的卡宾插入反应、Wolff重排反应、叶立德重排反应、环丙烷化反应、Buchner反应、光催化反应和1,3-偶极环加成反应。由于卡宾中间体的高活性，在温和条件下的实现无金属催化反应仍然是一个巨大的挑战。近日，赣南师范大学郭维课题组使用芳基重氮酯、胺和异硫氰酸酯为原料，在可见光照射、无光催化剂条件下，一步合成了2-亚氨基噻唑烷-4-酮。相关研究成果发表在Green Chemistry（DOI: 10.1039/d4gc00375f）上。

赣南师范大学郭维课题组在噻唑烷酮类化合物的合成及应用研究（The Journal of Organic Chemistry,2018, 83(3): 1402-1413）、（The Journal of Organic Chemistry,2019, 84(10): 6448-6458）和（Chinese Journal of Organic Chemistry,2023, 43(4): 1452-1461）的前期工作基础上，作者以芳基重氮酯为反应底物，通过可见光照射芳基重氮酯生成自由卡宾，进而与胺和异硫氰酸酯连续形成分子间的C-N/C-S键，一锅法制备了2-亚氨基噻唑烷-4-酮类化合物（图1）。

图1. 无催化剂下可见光驱动的三组分环化制备2-亚氨基噻唑烷-4-酮（来源：Green Chem.）

前沿科研成果

无光催化剂条件下、可见光驱动的三组分环化制备2-亚氨基噻唑烷-4-酮

作者首先对反应条件进行了优化，分别探究了光催化剂、光源、溶剂和反应时间对反应产率的影响，发现反应在不添加光催化剂的条件下收率最高，可达84%（表1）。

表1. 条件优化 (来源Green Chem.)a

为了考察该反应的适用性，作者随后对反应底物的适应性和限制性进行探究。首先，对异硫氰酸酯类化合物进行考察，结果表明芳基异硫氰酸酯或者烷基的异硫氰酸酯类化合物均顺利实现了三组分环化反应合成噻唑烷酮-4-酮（图2）。接着，作者进一步考察了一系列胺类化合物，实验结果表明其均能顺利参与反应（图3）。最后，作者对芳基重氮酯类化合物进行了探究，结果表明除了烷基重氮酯，其他芳基重氮酯都能够顺利合成2-亚氨基噻唑烷-4-酮类化合物（图4）。

图2. 异硫氰酸酯的底物拓展（来源：Green Chem.）

图3. 胺的底物拓展（来源：Green Chem.）

图4. 芳基重氮酯的底物拓展（来源：Green Chem.）

随后，作者对反应的实用性以及绿色化学指标进行了探究。作者在1 mmol规模上，评估了这种可见光驱动的三组分环化反应产物4a的绿色化学指标。当前反应过程的环境因子为4.09，原子经济性为54.2%，原子效率为42.3%，碳原子效率为59.5%，反应质量效率为42.3%（图5）。

图5. 标准条件下4a绿色化学指标（来源：Green Chem.）

为了深入探究反应的可能机理，作者进行了一系列实验研究（图6）。首先，在标准条件下进行了对照实验。当反应在2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO）、二丁基羟基甲苯（BHT）或1,1-二苯基乙烯（DPE）的存在下进行时，以中等的产率获得了所需的产物4a，表明在该反应中不太可能经历自由基途径。接下来，作者通过环丙烷化反应进行了游离卡宾的捕获实验。3a与苯乙烯7在标准条件下反应生成环丙烷8，产率为35%。在反应体系中加入苯乙烯7，能以85%的产率得到产物4a，GC-MS仅检测到微量的8，这表明在标准条件下，三组分环化比苯乙烯的环丙烷化更有利。

图6. 机理探究实验（来源：Green Chem.）

结合上述研究结果和已有文献报道，作者提出了该反应的可能机理（图7）。首先，苯甲胺2a和异硫氰酸苯酯1a反应生成中间体9。同时，2-重氮基-2-苯基乙酸甲酯3a受光激发产生更高能量的单线态3a*，该单线态进一步通过释放氮气转化为单线态卡宾10。然后，中间体10被中间体9捕获得到中间体11。最后，中间体11发生分子内亲核环化反应得到产物4a。

图7. 可能的反应机理（来源：Green Chem.）

综上所述，作者以异硫氰酸酯、胺和芳基重氮乙酸酯为原料，开发了一种高效、温和的三组分环化反应制备2-亚氨基噻唑烷-4-酮类化合物的新方法。该反应实现了重氮化合物在可见光照射下的光解为游离卡宾，进而被硫脲中间体捕获，最终得到2-亚氨基噻唑烷-4-酮类化合物。此外，该方法避免了使用光催化剂、碱和过渡金属，具有反应条件温和、操作简单、反应过程绿色等优点，为合成N-/S-杂环类化合物提供了新的实用途径。

该工作以“Visible-light-driven three-component annulation for the synthesis of highly functionalized 2-iminothiazolidin-4-ones without photocatalysts”为题，近期发表在Green Chem.上（DOI: 10.1039/d4gc00375f），2021级研究生杨贝宁为论文第一作者。

课题组简介

郭维，赣南师范大学化学化工学院教授。2022年毕业于黄冈师范学院，2005年于华南师范大学取得硕士学位，2005年-2009年，在赣南师范大学化学化工学院工作。2013年于中国科学院化学研究所取得博士学位，2014年-2016年在华南理工大学从事博士后研究。2016年至今，在赣南师范大学化学化工学院工作。先后入选江西省百千万人才工程、江西省主要学科学术和技术带头人培养计划和江西省“双千”计划。郭维的研究领域为合成药物化学，在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Green Chem., J. Agric. Food Chem., Eur. J. Med Chem., Org. Lett., Sci. Chin.-Chem., J. Mater. Chem., Chin. Chem. Lett., Chem. Commnu., Org. Chem. Front., Chem.-Eur. J., Adv. Synth. Catal., J. Org. Chem.等学术期刊发表SCI论文40余篇。

邀稿

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