【Org. Lett.】南京工业大学冯超教授课题组：光/镍协同催化芳基环丙烷开环烯基化反应—高效构筑跳跃型1,5-二烯

导语

环丙烷结构单元因其显著的环张力和C-C σ键的轨道重叠效率不足所带来的高反应活性，长期以来被视作有机合成中一类重要的C₃合成子。其中，芳基环丙烷的开环官能化反应，因能快速构建复杂分子骨架而备受关注。传统策略主要依赖于给体-受体环丙烷体系，或通过单电子氧化生成芳基自由基正离子，进而借助亲核试剂的进攻实现开环转化。近年来，光氧化还原与过渡金属协同催化策略在环丙烷化学领域崭露头角，然而其应用仍相对有限。尤其是利用非贵金属催化体系实现高效开环偶联的报道尚不多见。近日，南京工业大学氟化学应用技术研究所冯超教授课题组发展了一种可见光/镍协同催化的芳基环丙烷开环烯基化新方法。该策略巧妙利用β-硅效应稳定苄基自由基中间体，实现芳基环丙烷的选择性C-C键断裂与烯基化偶联，高效构建了一系列结构多样的跳跃型1,5-二烯产物，为相关天然产物和功能分子的合成提供了便捷的模块化工具。相关成果发表在Organic Letters上（DOI: 10.1021/acs.orglett.6c01753）。

前沿科研成果

近年来，光氧化还原和电化学方法已被证明是强有力的工具，能够实现此前颇具挑战性的芳基环丙烷转化，这些策略通过单电子氧化生成芳基环丙烷自由基阳离子，削弱C–C键并经由亲核加成诱导开环产生苄基自由基，进而参与多种下游路径（直接捕获、自由基-极性交叉、氢原子转移及自由基-自由基偶联，Scheme 1a），极大地丰富了芳基环丙烷开环和1,3-双官能化的合成方法学；与此同时，过渡金属催化与光氧化还原策略的结合也取得显著进展，但其在芳基环丙烷化学中应用仍相对较少。最近Lu等报道了光氧化还原/钯协同体系合成烯丙酯（Scheme 1b），但钯作为贵金属带来可持续性挑战，因此发展环境友好且搭配地球丰富金属的催化剂十分值得期待；在此背景下，本文课题组前期发展了可见光光氧化还原/铜协同催化方法，实现了醇类对芳基环丙烷的远程1,5-与1,3-双氧化官能化（Scheme 1c），然而据作者所知，利用β-硅效应实现芳基环丙基甲基三甲基硅烷开环官能化的光氧化还原/镍催化体系尚未见报道；跳跃型1,5-二烯广泛存在于天然产物中且是重要合成砌块，但其从简单易得芳基环丙烷高效高选择性构建仍具挑战。因此，冯超课题组设想将硅基取代基引入环丙烷骨架作为“氧化还原辅助基团”，在单电子氧化后无需外部亲核试剂即可脱硅开环生成苄基自由基，随后被镍催化剂捕获并与烯基溴化物偶联，最终实现跳跃型1,5-二烯的合成（图1d）。

图1. 光/镍协同催化芳基环丙烷开环烯基化反应设计思路（图片来源：Org. Lett.）

在最优条件下，作者考察了芳基环丙烷的底物适用范围（图2）。结果表明，反应对芳环上的供电子取代基（如甲氧基、苄氧基、苯氧基）具有良好的兼容性，相应产物收率33–70%。将三甲基硅基换为三乙基硅基，反应仍能以63%收率得到目标产物。邻位取代和稠环（如萘基、苯并呋喃）底物同样能够顺利参与反应。此外，环丙烷环上带有甲基、乙酰氧基、苄基或苯基取代基时，反应也能顺利进行。值得注意的是，不含硅基的环丙烷底物完全不反应，充分证明了硅基在反应中的关键作用。

图2. 芳基环丙烷底物适用范围（图片来源：Org. Lett.）

随后，作者考察了烯基溴化物的底物范围（图3）。各类带有供电子基（甲基、甲氧基、乙酰氧基）或弱吸电子基（三氟甲氧基、氯、溴）的β-溴苯乙烯均能顺利反应，得到相应1,5-二烯产物，收率50–63%。强吸电子基（三氟甲基、氰基）取代的底物收率有所下降。邻位取代和多取代的烯基溴化物同样适用，尽管收率略低。值得一提的是，噻吩取代的烯基溴化物也能参与反应，体现了该方法对杂环底物的兼容性。此外，环状烯基三氟甲磺酸酯（环己烯基、环庚烯基、环辛烯基）同样适用于该转化，进一步拓展了产物的结构多样性。

图3. 烯基溴化物和烯基三氟甲磺酸酯底物适用范围（图片来源：Org. Lett.）

根据控制实验及前人研究，作者提出了两种可能的协同催化机理（图四）。光照下，激发态光催化剂氧化底物1，生成芳基自由基阳离子，在碱辅助下发生碳–碳键断裂，得到苄基自由基A。同时，Ni(0)与β-溴苯乙烯氧化加成生成中间体B，B捕获苄基自由基A，形成Ni(III)配合物C。C经还原消除得到产物并生成Ni(I)。后者被还原态光催化剂经单电子还原再生为Ni(0)，完成催化循环（图四，黑色路径）。另一路径中：LNi(I)Br与β-溴苯乙烯氧化加成，生成烯基–Ni(III)中间体，再经单电子还原为Ni(II)配合物B，经过后续基元步骤生成目标产物并再生活性催化剂（图四，灰色路径）。

图4. 反应可能的机理（图片来源：Org. Lett.）

冯超课题组发展了一种镍/光氧化还原双协同催化新方法，成功实现了芳基环丙烷的高效官能化，为构建结构多样的跳跃型 1,5-二烯化合物提供了一条便捷合成路径。该策略通过远程活化的β-硅效应辅助脱硅开环，突破了传统环丙烷反应模式，相关成果为后续立体选择性控制研究奠定了坚实基础。

该工作得到了国家自然科学基金（22271151、22571158）、中国科学院上海有机化学研究所先进氟氮材料全国重点实验室开放课题（2026PT0009）以及材料化学工程国家重点实验室自主课题（SKL-MCE-25A17）的大力支持。

教授简介

冯超，南京工业大学教授、博士生导师。2008–2012年博士就读于新加坡南洋理工大学；2012–2016年在新加坡南洋理工大学继续开展博士后研究工作；2016年全职加入南京工业大学先进化学制造研究院，开展独立研究工作。主要研究方向为有机氟化学、自由基化学以及可见光氧化还原催化领域。目前以通讯作者或第一作者身份发表学术论文99余篇，其中包括以通讯作者身份在Chem（1篇）、Nat. Commun.（6篇）、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（10篇）、CCS Chem.（1篇）、Chin. Chem. Lett. (1篇)、ACS Catal. (2篇) 、Chem Sci (5篇)等高水平学术期刊发表论文87篇，论文被引用4200余次。冯超教授2014年荣获Reaxys PhD Prize Finalist，2016年入选国家高层次人才计划，2017年入选江苏省“特聘教授”，2018年入选江苏省“双创人才”，2021年获江苏省“杰出青年”基金资助，2023年获第四届江苏省化学化工学会-戴安邦化学青年创新奖。承担国家自然科学基金面上项目（2019年、2023年，2025年）、江苏省自然科学青年基金项目（2017年）等。受邀在全国有机氟化学会议、有机化学学术会议、国际氟化学研讨会、国际光化学技术与产业大会等国内外重要会议做邀请报告，2018年获Thieme Chemistry Journal Award。

课题组简介

目前冯超教授课题组成员包括教授1名，副教授3名，讲师1名，博士研究生9名，硕士研究生30名。课题组的主要研究领域为：（1）有机氟化学；（2）自由基化学；（3）过渡金属催化。

课题组目前经费充足，处在快速发展时期，每年都有博士后、博士研究生和硕士研究生招收名额。欢迎广大有志于有机合成研究的博士后和研究生加入冯超老师课题组。

点击即可阅读合集

免费试用快速液相制备色谱